Microcavités diélectriques circulaires et applications

This document describes the work done in the scope of a Master's in engineering physics
on dielectric optical microcavities. The work has been divided into two main themes; the
development of a base technology on optical cavities of the silica microdisk type and on the
realization of two applications using this technology.
The first part presents the work done to advance our comprehension of the phenomenon
concerned in the workings of the silica microresonator. To accomplish this, an experimental
approach was adopted. Some microfabrication processes and an optical characterization
setup were developed in order to permit the study of real behavior of these structures and to
optimize there performance with specific applications in mind. New fabrication techniques,
such as dry etching of silica, were developed to permit the production of vertical walled microdisks.
This gives us better control on the dimensions of the cavities and reduces variations
on the optical coupling of the cavities with tapered optical fibers. The optical setup that
enables us to optically couple with a tapered fiber allows us to spectrally characterize the
cavity resonances and evaluate their respective quality factors.
The second part presents a few applications that use this very high quality factor microresonator
technology. A first application uses different cavity configurations to produce
optical filters capable of controlling the spectral emission of an EDFL. By introducing these
high quality filters into the optical cavity of the laser, it is possible to select the wavelengths
that can propagate in order to limit the modes that achieve the lasing conditions. A second
application consists in the fabrication of a linear series of silica microcavities with very
low inter cavity distances allowing optical coupling between adjacent microdisks. The optical
energy can then be transferred from cavity to cavity and thus can propagate through
the structure as through a standard waveguide. This new type of structure is called coupled
resonator optical waveguide (CROW). We present here the first experimental results of
transmission through a CROW made of silica disks.

Résumé

Ce document résume le travail fait dans le cadre d'une maîtrise en génie physique sur les
microcavités diélectriques circulaires. Le travail accompli se divise en deux thèmes généraux;
le développement d'une base technologique sur les cavités optiques de type microdisques de
silice, et la réalisation de deux applications utilisant cette technologie.
La première partie présente les travaux effectués pour approfondir la compréhension des
phénomènes physiques derrière les microrésonateurs de silice. Pour ce faire, une approche
expérimentale a été utilisée. Des procédés de fabrication et un montage de caractérisation
optique ont été développés de façon à permettre l'étude des comportements réels de ces structures
et d'optimiser leurs performances pour des applications spécifiques. De nouvelles techniques
de fabrication, dont la gravure sèche de la silice, ont été développées pour permettre de
produire des microdisques avec des parois verticales améliorant le contrôle des dimensions des
disques et la répétabilité du couplage optique avec une fibre effilée. L'élaboration du montage
optique utilisé pour permettre ce couplage optique a permis de caractériser spectralement les
résonances des cavités et de mesurer leurs facteurs de qualité.
La deuxième partie présente quelques applications qui ont été réalisées à partir de cette
technologie de microrésonateurs à facteurs de qualité très élevées. Une première application
utilise divers filtres spectraux pour contrôler l'émission spectrale d'un EDFL. En introduisant
un filtre spectral de haute qualité à l'intérieur de la cavité optique du laser, il est possible de
s´electionner la ou les longueurs d'onde pouvant s'y propager afin de limiter les modes pouvant
atteindre la condition laser. Une seconde application consiste à fabriquer une série linéaire de
microcavités de silice avec une distance entre chaque cavités permettant un couplage optique.
L'énergie lumineuse peut donc se transf´erer d'une cavité `a l'autre et se propager le long de
la s´erie de cavit´es comme dans un guide d'onde. Cette structure se nomme un guide d'onde
de cavit´es coupl´ees. Nous pr´esentons ici les premiers résultats de transmission d'un tel guide
utilisant des disques de silice.