Bistabilit´ e optique

La non lin´earit´e optique permet d’envisager de nouvelles perspectives telles que la r´ealisation des bistables optiques. Ces dispositifs sont des bases polyvalentes pour le trai-tement tout optique des signaux [46].

Un syst`eme est dit bistable, s’il peut avoir deux r´eponses diff´erentes `a une mˆeme exci-tation. La bistabilit´e optique peut ˆetre obtenue de plusieurs fa¸cons, par des effets thermo-optiques [47], une injection de porteurs [48], une combinaison des deux [49] ou par une r´etroaction opto´electronique [50]. Cependant, toutes ces m´ethodes sont intrins`equement lentes, car elles d´ependent de la g´en´eration de porteuses. Une autre fa¸con de r´ealiser la bis-tabilit´e optique est d’utiliser les effets optiques non lin´eaires [51]. Cependant, ces derniers

sont souvent tr`es faibles dans les mat´eriaux, ce qui n´ecessite une grande puissance op-tique ( ∼ mW ) pour observer la bistabilit´e optique [52]. Cela augmente la consommation d’´energie de tels dispositifs et limite ainsi l’aspect technologique. En effet, par la s´election d’un mat´eriau de grande susceptibilit´e non lin´eaire, nous pouvons ´egalement r´eduire la puissance optique d’exploitation en augmentant l’interaction lumi`ere/mati`ere, en utilisant des cavit´es de grands facteurs Q et petits volumes V .

Contrairement aux autres structures photoniques (les r´esonateurs en anneaux, les guides d’ondes di´electriques), les cavit´es `a CPs sont bien adapt´ees pour la bistabilit´e optique. En effet, celles-ci permettent de fabriquer des dispositifs bistables int´egr´es fonctionnant `a tr`es faible puissance d’entr´ee. Les ´etudes ont ainsi principalement port´e sur la bistabilit´e optique des cavit´es `a CPs non lin´eaires, car les effets d’optiques non lin´eaires sont habituellement dominants par rapport aux effets thermiques. Les propri´et´es non lin´eaires ”effet Kerr” d’un mat´eriau mis en cavit´e peuvent ˆetre `a l’origine d’une telle bistabilit´e. Les cavit´es `a CPs peuvent ˆetre aussi exploit´ees pour exalter les effets non lin´eaires du troisi`eme ordre χ<sup>3</sup>. Ce type de non lin´earit´e optique peut conduire `a de nombreuses applications notamment pour le traitement du signal en optique int´egr´ee [14], [53].

R´ecemment, de nombreux travaux de recherche ont ´et´e consacr´es `a l’am´elioration du facteur Q et `a la minimisation du volume V des cavit´es `a CPs en vue de leur application `a la r´ealisation de bistable optique. La bistabilit´e optique d’une nanocavit´e `a CPs planaires en GaAs, dot´ee d’un facteur Q = 2.8 × 105 et d’un volume modal V = 1.2 (λ/n)3, a ´et´e ´etudi´ee exp´erimentalement [54]. En raison de la valeur ´elev´ee due au rapport Q²/V et au coefficient d’absorption de deux photons (TPA), la bistabilit´e optique avec un seuil de puissance de 1 µW a ´et´e d´emontr´ee.

Kim et al. [55] ont ´egalement analys´e la bistabilit´e optique dans les nanocavit´es `a CPs en InP, en utilisant une microfibre pour coupler la lumi`ere dans et hors de la cavit´e. Ils ont mesur´e un seuil de puissance de bistabilit´e, au voisinage de la cavit´e, de ∼ 37 µW . Une nanocavit´e `a CPs en silicium con¸cue, dot´ee d’un facteur de qualit´e de 9 × 10⁴, peut fonctionner comme une bistable optique avec une faible puissance en utilisant une non lin´earit´e optique [56].

Une nanocavit´e `a CPs dot´ee d’un facteur de qualit´e Q = 2.3 × 10<sup>5</sup> et de volume modal V = 1.2 (λ/n)<sup>3</sup> a ´et´e ´etudi´ee avec diff´erentes puissances optiques d’entr´ee [53]. Le r´esultat obtenu montre que la longueur d’onde de r´esonance de la cavit´e est d´ecal´ee lorsque la puissance d’entr´ee est augment´ee. Une nanocavit´e optique `a CPs dot´ee d’un facteur Q = 4.7 × 10⁵ et volume V = 0.9 (λ/n)³a ´et´e ´egalement employ´ee comme bistable optique [57]. La non lin´earit´e optique dans les cavit´es ´etudi´ees pourrait ˆetre expliqu´ee par la th´eorie des modes coupl´es, en tenant compte de l’absorption de deux photons, l’absorption de porteur libre, l’effet de plasma, l’effet thermo-optique et de l’effet de Kerr. Cependant, en raison de ces diff´erents effets optiques non lin´eaires du silicium, il est difficile d’obtenir une

bistabilit´e optique de faible puissance de seuil dans les nanocavit´es silicium. La bistabilit´e optique avec une puissance d’entr´ee de 10 µW et une puissance de seuil de 40 µW a ´et´e obtenue en utilisant une nanocavit´e `a CPs en silicium [56], [53], [57].

M. Notomi et al. ont obtenu une puissance de seuil de 1.6 µW pour la bistabilit´e optique en utilisant une nanocavit´e `a CPs-1D en silicium [58]. Cependant, la puissance de seuil de la bistabilit´e optique restait tr`es sensible `a la taille et `a la longueur du d´efaut de la nanocavit´e. Lorsque la longueur de d´efaut varie de 17 µm `a 14.5 µm, la puissance de seuil de bistabilit´e augmente de 1.6 µW `a 63 µW . De mˆeme, la bistabilit´e optique est observ´ee dans une nanocavit´e `a CPs en silicium de type L3 [59]. La cavit´e coupl´ee avec un guide d’onde `a cristaux photoniques est dot´ee d’un facteur Q de 6 × 10⁴. La puissance de seuil pour la bistabilit´e optique dans la cavit´e est 26.1 µW , qui repr´esente la valeur la plus basse pour les cavit´es L3 en silicium. Les r´esultats pr´esent´es montrent que cette valeur faible de puissance de seuil est due au grand facteur de qualit´e de la cavit´e. La bistabilit´e optique est optimis´ee exp´erimentalement par l’utilisation d’une cavit´e `a CPs en silicium dot´ee d’un grand facteur Q et d’un petit volume V (Q ∼ 3 × 10⁴ et V ∼ 0.98 (λ/n)3) [60]. Les r´esultats th´eoriques et exp´erimentaux d´emontrent deux ´etats bistables avec un seuil de commutation de 185 µW .

Figure 1.17: (a) Spectre d’´^{emission mesur´e d’une cavit´e `a cristal photonique pour}

diff´erentes valeurs de la puissance d’entr´ee. Le d´ecalage de longueur d’onde de r´esonance

de cavit´e est indiqu´e par une ligne pointill´ee. (b) Microscopie ´electronique `a balayage

(MEB) d’un structure constitu´ee d’une cavit´e `a CP coupl´ee avec deux guides et utilis´ee

comme un bistable optique. (c) et (d) trac´es d’hyst´er´esis, respectivement, pour une

lon-gueur d’onde d’excitation d´ecal´ee de 20 pm et 40 pm par rapport `a longueur d’onde de la

Une cavit´e `a CPs en silicium de type H1 a ´et´e fabriqu´ee et caract´eris´ee exp´erimentalement [14]. La cavit´e fabriqu´ee `a un mode de r´esonance λ = 1590 nm et un facteur Q mesur´e de 4 × 105. Pour un volume modal de 0.34 (λ/n)3, cette cavit´e pr´esente une bistabilit´e optique avec une puissance de seuil de 13 µW , (correspondant `

a une puissance d’entr´ee de 580 µW ). La figure 1.17 illustre le spectre d’´emission me-sur´e de la cavit´e ´etudi´ee pour diff´erentes puissances d’entr´ees. Pour une faible puissance d’entr´ee, un l´eger d´ecalage de longueur de r´esonance de la cavit´e est observ´e. `A partir d’une puissance d’entr´ee plus ´elev´ee (sup´erieur `a 0.6 µW ), la r´eponse spectrale de la cavit´e est d´ecal´ee vers les basses fr´equences ce qui d´emontre l’apparition de la bistabilit´e optique. Pour caract´eriser ce bistable optique, la puissance de sortie (l’intensit´e d’´emission) est me-sur´ee pour une longue plage des valeurs de puissance d’entr´ee. L’hyst´er´esis avec un grand contraste et le seuil de puissance tr`es faible sont repr´esent´es sur les figures1.17.c et1.17.d.