Fonctions optiques robustes dans des structures de guides d'onde : liens avec des phénomènes quantiques - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Robust optical functions in waveguide structures : links with quantum phenomena

Fonctions optiques robustes dans des structures de guides d'onde : liens avec des phénomènes quantiques

Abstract

Wave propagation in coupled optical waveguides and population dynamics in quantum systems composed of coupled discrete levels share a common mathematical formalism related to the underlying Schrödinger equation. In the context of this thesis the key role is played by the relation between robust adiabatically evolving quantum systems and corresponding adiabatically evolving waveguide systems. In the optics case the robustness reflects in a strongly increased tolerance with respect to changes in wavelength (achromaticity), temperature, or unwanted variations in the waveguide parameters.Earlier works in our laboratory in the context of the above analogy were related to waveguides allowing propagation of the fundamental mode only and did not consider the possible propagation of both orthogonal polarization modes. In the present thesis we fill this gap by discussing ways for achieving broadband polarization separation as well as broadband mode conversions. The investigated systems are composed of three coupled waveguides with a spatial adiabatic evolution. In addition, we consider a third system where a dissipation in one of three waveguides allows to achieve ultra-broadband power splitting despite for the absence of any adiabatic evolution of the waveguide parameters.Integrated polarization beam splitters (PBS) play a significant role in many integrated photonic devices where the polarization state of light requires manipulation and important efforts are under way to make such a functionality as broadband as possible. Our proposal in this context involves a three-waveguides configuration with anisotropic refractive index either in the core or in the cladding and is inspired by the quantum STIRAP process (STImulated Raman Adiabatic Passage). Our analysis shows that an anisotropy ratio of 5 (ratio between the refractive index contrasts for the TM and TE waves) is sufficient for separating efficiently the two polarizations over a spectral range of ≈ 350 nm around the 1550 nm central wavelength. The bandwidth of such PBS increases by increasing the anisotropy factor and the central wavelength can be adjusted by modifying the waveguides.One of the ways presently envisaged for increasing the nearly saturated capacity of optical telecommunication systems relies on space division multiplexing, where signals are transmitted on different spatial modes of a multimode optical fiber. This kind of approach requires elements capable of demultiplexing the modes by separating and converting them. Our proof of concept in this context is based again on an adiabatic three-waveguide systems and permits conversion between a higher order mode and the fundamental mode (or vice-versa) over a wide spectral range. The underlying waveguide design is again analogous to the above quantum STIRAP process or in alternative to Adiabatic Elimination (AE) in which case the central waveguide is strongly detuned from the two others.As mentioned above, the third system studied in this thesis does not rely on adiabatically evolving waveguides but is related to the behavior of non-Hermitian quantum systems, specifically to quantum population transfer through a decaying intermediate state. Our approach is based on three parallel waveguides of which the central one is highly dissipating. It leads to ultra-broad band power division that has to be paid by a 50% overall loss if equal power is wished in the two output ports. Here the absence of the slow adiabatic variation allows for more compact systems, especially if the central waveguide is of the plasmonic type.The three systems that are discussed in this thesis show the great potential of quantum-inspired approaches for robust photonics, where tolerant, versatile and broadband functionalities are required. While devices of this kind may be used principally in classical integrated photonics, their use for single photon management in quantum optics is also an attractive perspective.
La propagation d'ondes dans des guides optiques couplés et la dynamique de transfert de population dans des systèmes quantiques discrets et couplés possèdent un formalisme commun via l'équation de Schrödinger. Une telle analogie permet un enrichissement mutuel de ces deux domaines. D'une part, des phénomènes complexes de physique quantique peuvent être démonter en optique, où les expériences sont généralement plus accessibles. D'autre part, les concepts de l'un des domaines peuvent être traduits dans l'autre pour concevoir, des dispositifs aux fonctionnalités étendues. Dans ce contexte, l'élément moteur de cette thèse est l'analogie entre les systèmes quantiques adiabatiques et robustes et des systèmes de guides d'onde analogues. En optique, la robustesse se traduit par une tolérance fortement accrue aux variations de longueur d'onde (achromaticité), de température ou aux perturbations et imperfections des guides. Les travaux précédents du laboratoire, portant sur ces analogies, ont traité de guides monomodes, et n'ont pas considéré les deux modes de polarisation orthogonale. Aussi, nous élargissons, ces travaux afin obtenir un séparateur de polarisation intégré, et un convertisseur de modes, tous deux large bande. Ils sont composés de trois guides couplés où les guides latéraux sont courbés selon une évolution adiabatique. Nous considérons enfin, un troisième système de guides, constants et droits, où une dissipation du guide central permet une répartition de puissance ultra-large bande. Les diviseurs de faisceaux polarisants intégrés jouent un rôle important dans de nombreux dispositifs photoniques intégrés nécessitant la manipulation de la polarisation lumineuse, avec un besoin d'être le plus large bande possible. Aussi, je propose dans cette thèse, une configuration à trois guides avec des indices de réfraction anisotropes qui s'inspire du phénomène quantique de STIRAP (STImulated Raman Adiabatic Passage). Cette étude montre qu'un rapport de 5 entre les contrastes d'indice des modes TM et TE est suffisant pour séparer efficacement les deux polarisations sur une plage d'environ 350 nm autour de la longueur d'onde centrale à 1,55 µm. La bande passante augmente avec le rapport d'anisotropie et la longueur d'onde centrale peut être ajustée en modifiant les paramètres. Par ailleurs, l'un des moyens envisagés pour augmenter la capacité des systèmes de télécommunications optiques repose sur le multiplexage spatial, où chaque canal est transmis sur un mode spatial différent d'une fibre multimode. Cette approche nécessite des (dé)multiplexeurs qui séparent ou en convertissent les modes. Là encore, un système adiabatique à trois guides d'onde peut être mis à profit pour concevoir une conversion entre un mode d'ordre supérieur et le mode fondamental (ou le contraire) sur une large gamme spectrale. Ce dispositif peut à nouveau être analogue au STIRAP, mais aussi au phénomène d'élimination adiabatique. Dans ce dernier cas, le guide d'onde central est fortement désaccordé avec les deux autres. Le troisième système étudié dans cette thèse ne repose pas sur des guides à évolution adiabatique, mais est analogue à un système quantique non hermitien, où le transfert de population s'effectue via un état intermédiaire dissipatif. Ici les trois guides sont parallèles et le guide central présente des pertes importantes. Cela conduit à une division de puissance ultra-large bande en contrepartie d'une perte globale de 50% (pour une diviseur puissance symétrique). L'absence d'évolution adiabatique permet des systèmes plus compacts, en particulier si le guide central est un guide plasmonique. Cette thèse démontre le fort potentiel des approches s'inspirant des phénomènes quantiques pour la photonique, où des fonctionnalités robustes, polyvalentes et larges bandes sont requises. De tels dispositifs peuvent être utilisés en photonique intégrée classique, ou avec comme perspective la manipulation de photons uniques en optique quantique.
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tel-03844791 , version 1 (09-11-2022)

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  • HAL Id : tel-03844791 , version 1

Cite

Rim Alrifai. Fonctions optiques robustes dans des structures de guides d'onde : liens avec des phénomènes quantiques. Physique [physics]. Université de Lorraine, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LORR0087⟩. ⟨tel-03844791⟩
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