Mémoire tampon formée d'un guide d'onde de résonateurs couplés en forme de disques à bord biseauté superposés

La grande vitesse de la lumière permet de sonder les confins du cosmos ou d'avoir des discussions quasi instantanées d'un bout à l'autre du globe. Cependant, dans certains cas, il est préférable de ralentir celle-ci. En télécommunication, les noeuds du réseau orchestrent le passage de toute l'information. Pour l'instant, de lents routeurs électroniques convertissent les signaux lumineux provenant de fibres optiques afin de les analyser et de les diriger vers le prochain noeud du réseau sous forme de signaux lumineux. Ces conversions ainsi que le traitement de l'information consomment énormément d'énergie par effet Joule. Un routeur optique permettrait donc une vitesse accrue du passage de l'information et une baisse de la consommation énergétique. Une ligne à retard optique est nécessaire à ce dispositif pour garder en mémoire le paquet d'informations avant de le rediriger. Ce dispositif sert aussi pour l'ordinateur optique comme mémoire temporaire. En quantique et en optique non linéaire, elle est utilisée pour améliorer l'interaction lumière-matière. Plusieurs structures permettent d'induire un délai telles qu'un long guide d'onde ou un milieu dispersif. Un autre type, le guide d'onde de résonateurs couplés, est intéressant pour sa petite taille et sa grande bande passante. Le couplage de plusieurs résonateurs l'un à la suite de l'autre en une structure périodique permet de ralentir la lumière. Les résonateurs sont caractérisés par le facteur de qualité qui est inversement proportionnel aux pertes optiques. Il est plus élevé pour les disques que les anneaux. L'ajout d'un biseau au bord des disques permet de repousser le mode optique vers le centre du disque et d'améliorer, une fois de plus, le facteur de qualité. Le couplage horizontal n'est cependant plus possible. Le design proposé est donc un guide d'onde de disques biseautés en silice couplés verticalement sur piliers de silicium. L'objectif principal est la preuve de concept de cette structure avec le design, la simulation, la fabrication et la caractérisation de celle-ci. Ainsi, les techniques d'angle de Mach et de photonique 3D sont utilisées pour la microfabrication. Le délai induit maximal est de 85 ps pour une ligne à retard de 11 cavités avec des pertes de 43 dB et une bande passante de 98pm. Les conclusions sont que le facteur de qualité est le paramètre à optimiser puisqu'il limite le délai maximal. Ensuite, il est nécessaire d'ajuster le couplage pour maximiser le ralentissement. La proposition et la fabrication d'un guide d'onde de disques biseautés couplés verticalement sont des premières selon la littérature. Malgré que la ligne à retard peut être encore optimisée, la lumière est bien couplée à l'entrée de la structure et récupérée à la sortie pour un maximum de 11 cavités avec un facteur de ralentissement de 5,8.

Abstract

The speed of light has a great value. It is useful in many cases like astronomy or telecommunications. Conversation around the globe are practically instantaneous. But in some other cases, it is necessary to slow light. Electronic routers are slow and consume a lot of energy. It might be better to have optical routers which don't need optical-electrical conversion of information. To build them, one needed component is an optical delay line. It acts like memory for the information packet while the router is processing the header to send it to the next node of the network. It is also useful in quantum optics and non-linear optics by increasing the light-matter interactions. There are many ways to delay light like with a very long waveguide or a dispersive device, for example. Another type, a coupled resonator optical waveguide, is composed of a periodic set of resonators in line and coupled between each other. In this structure, the light is slowed down. Resonators can take the form of rings or disks. The disk quality factor is higher than the rings. In other words, there is less loss in this kind of resonator than in rings. Adding a wedge at the border of the disk push the optical mode toward the center. By doing so, the quality factor is increased. However, horizontal coupling is no more possible. By placing the wedge disks in two layers, it is possible to couple them vertically. The proposed design is a coupled resonators optical waveguide made of wedge silica disks on silicon pillars and coupled vertically. By using Mach angle and photonic 3D techniques, the device is microfabricated. The obtained delay is 85 ps for an eleven cavity long structure with 43 dB of optical loss and a bandwidth of 98pm. Conclusions are that the quality factor determines the maximum possible delay. It is therefore important to maximize this value. Furthermore, the coupling coefficient must be optimized to maximise the slowing factor. It is the first time this structure is proposed and fabricated. Although it can be optimized further, light was successfully coupled in and out through eleven wedge disks coupled vertically. A slow factor of 5,8 was obtained.