Slow Light in Waveguide Bragg Gratings Direct-Written by Femtosecond Laser in Bulk Glass

La lumière lente fait référence au phénomène dans lequel la vitesse de la lumière est significativement réduite lorsqu'elle traverse un milieu, une structure périodique ou un système. Cet effet peut être réalisé à des températures ultra-basses ou ambiantes en utilisant des techniques basées sur la dispersion induite par les matériaux ou les structures. En pratique, les dispositifs de lumière lente sont généralement fabriqués à l'aide de photolithographie dans des salles blanches, où des changements d'indice de réfraction (IR) supérieurs à 1 sont obtenus dans des matériaux solides, ou par des techniques d'écriture directe au laser femtoseconde (FSL) dans des matériaux transparents tels que les fibres et les lamelles de verre, entraînant des changements d'IR allant de 10−4 à 10−2. La lumière lente a permis de nombreuses applications dans les communications optiques, l'optique linéaire et non linéaire, l'informatique quantique et l'industrie émergente des capteurs. Cependant, les effets de la lumière lente dans les réseaux de Bragg à base de verre massif créés à l'aide de techniques d'écriture directe au laser femtoseconde n'ont pas été largement explorés. Pour combler cette lacune et exploiter le potentiel des dispositifs de lumière lente dans les technologies intégrées transparentes, cette thèse propose une exploration préliminaire et une démonstration expérimentale de la lumière lente dans les réseaux de Bragg à guide d'ondes par des techniques d'écriture directe au laser femtoseconde. Cette recherche comprend : 1) l'exploration d'un nouveau modèle de guide d'ondes et l'étude des effets de la lumière lente dans deux types de réseaux de Bragg basés sur ce modèle ; 2) la dérivation de la formule du facteur de ralentissement (SDF) et l'application de l'ingénierie de décalage aux réseaux de Bragg à lignes ; 3) l'application du SDF dans les réseaux de Bragg à points de Modèle-I et Modèle-II avec ingénierie de décalage, ainsi qu'une analyse de la manière dont l'ajustement de la distance centre-à-centre dans le guide d'ondes affecte la performance de la lumière lente des réseaux de Bragg à points Modèle-II.

Abstract

Slow light refers to the phenomenon in which the speed of light is significantly reduced as it travels through a medium, periodic structure, or system. This effect can be achieved at ultra-low or room temperatures using techniques based on material-induced or structure-induced dispersion. In practice, slow light devices are typically fabricated using photolithography in clean rooms, where refractive index (RI) changes greater than 1 are achieved in solid materials, or through femtosecond laser (FSL) direct-writing techniques in transparent materials such as fibers and glass slides, resulting in RI changes ranging from 10−4 to 10−2. Slow light has enabled numerous applications across optical communications, linear and nonlinear optics, quantum computing, and the emerging sensor industry. However, slow-light effects in bulk glass-based waveguide Bragg gratings created using FSL direct-writing techniques have not been extensively explored. To address this gap and unlock the potential applications of slow light devices in transparent integrated technologies, this thesis provides a preliminary exploration and experimental demonstration of slow light in waveguide Bragg gratings by FSL direct-writing techniques. This research includes: 1) the exploration of a novel waveguide model and the study of slow-light effects in two types of Bragg gratings based on this model; 2) the derivation of the slow-down factor (SDF) formula and the application of offset engineering to line-Bragg gratings; 3) the application of the SDF in Model-I and Model-II dot-Bragg gratings with offset engineering, along with an analysis of how adjusting the center-to-center distance in the waveguide affects the slow-light performance of Model-II dot-Bragg gratings.