Cristaux Photoniques nonlinéaires

1. Cristaux Photoniques nonlinéaires Jonathan Masson

2. Introduction • Effets nonlinéaires • Génération d’harmoniques • Automodulation de phase • Effet Kerr • Mélange à quatre ondes • Soliton • … • Contrôle sur la bande interdite des CP pour accorder les propriétés optiques • Cristaux liquides • Effets thermiques • Injections de porteur dans semiconducteurs • Utiliser les effets optiques nonlinéaires

3. Plan • Effets non linéaires • Polarisation • Effet Kerr • Processus paramétriques • Génération d’harmoniques • Interrupteur optique • Isolateur • Silicium macro poreux • Lumière lente • Génération de super continuum • Conclusion

4. Effets optiques non linéaires • Polarisation • Effet Kerr • Modulation de l’indice de réfraction dû à l’intensité du champ électrique dans un matériau

5. Processus paramétriques • Somme et différence de fréquences (2e ordre) • Conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement • Accord de phase, parfait ou non

6. Génération second harmonique Amplitude des faisceaux dans le matériau Accord de phase = 0 Sans accord de phase = 0 Quasi accord de phase

7. Cristal (2) 2D • Matrice de matériaux +(2) et -(2), mais dont (1) est le même • Pas de bande interdite • Rappel le cas 1D du quasi accord de phase Berger et. al., Phys. Rev. Lett. 1998 Broderick et. al. Phys. Rev. Lett. 2000

8. Cristal (2) 2D • Accorde de phase dans plusieurs directions, non limité à une dimension • √3 fois plus efficace comme conversion • Génération du 2e, 3e et 4e harmoniques simultanées avec beaucoup d’efficacité de conversion.

9. Interrupteur • Matériau périodique 1D avec un matériau Kerr • 2 premières bandes pour un faisceau pompe • 3e bande pour faisceau signal • Pour GaAs, pompe à 2 kW/cm2 pompe signal 1.55 um Huttunen et. al., Journal of Applied Physics, 2002

10. Interrupteur • Piliers index 3.5 dans un matériau d’indice 1.5 • Piliers en matériau Kerr • Simulations FDTD • Signal d’entrée pas à la résonance • Modulation de la résonance par l’effet Kerr Soljacic et. al. Phys. Rev. E, 2002

11. Isolateur optique • 100% de transmission • Aucune réflexion – important pour intégration avec autres dispositifs. • Pilier de haut indice et en matérau Kerr • 2 guides d’onde et 2 cavités high-Q • Fréquence de résonance des cavités dépend de l’intensité du signal • Opération du système à autre fréquence que la résonance • Signal à transmettre haute puissance • Effet Kerr, change res • Signal isolé basse puissance • Élément de base pour fabriquer un transistor Soljacic et. al., Opt. Lett., 2003

12. Silicium macro poreux • Pompe haute intensité • Effets non linéaires générés: • Two photon absorption – génération de porteurs • Effet Kerr • Temps réponse < picoseconde

13. Silicium macro poreux • Pompe moyenne intensité : L’effet Kerr introduit un « red shift » • Intensité de la pompe 17.6 GW/cm2 • Changement de fréquence de résonance de l’ordre de 1% • Pompe haute intensité : « two photon absorption » introduit un « blue shift » par l’injection de porteurs Kitzerow et. al., Advances in Optical technologies, 2008

14. Lumière lente • Compression du pulse dans le matériau à grand indice • Augmentation de la densité de puissance • Augmentation des effets nonlinéaires • Diminution de la puissance requise Krauss, Nat. Photon., 2008

15. Supercontinuum • Fibre optique à cristaux photoniques • Supporte haute densité de puissance • Grande dispersion • Interaction non linéaire forte et sur une longue distance • Monomode sur une grande plage dû à la grande bande interdite

16. Supercontinuum • Pulse 100 fs à 790 nm, 800 pJ • Spectre large de 1200 nm • Effets nonlinéaires • Diffusion Raman • Auto modulation de phase Randa et. al., Optics Letters, 2000

17. Conclusions • Autres effets • Mode localisé • Solitons • Encore au stade de développement • Prometteur pour dispositifs à venir