<p>This Licentiate presents the main results of theoretical study of light propagation in photonic structures, namely lasing disk microcavities and photonic crystals. In the first two papers (Paper I and Paper II) we present the developed novel scattering matrix technique dedicated to calculation of resonant states in 2D disk microcavities with the imperfect surface or/and inhomogeneous refractive index. The results demonstrate that the imperfect surface of a cavity has the strongest impact on the quality factor of lasing modes.</p><p>The generalization of the scattering-matrix technique to the quantum-mecha- nical case has been made in Paper III. That generalization has allowed us to treat a realistic potential of quantum-corrals (which can be considered as nanoscale analogues of optical cavities) and to obtain a good agreement with experimental observations.</p><p>Papers IV and V address the novel effective Green's function technique for studying propagation of light in photonic crystals. Using this technique we have analyzed characteristics of surface modes and proposed several novel surface-state-based devices for lasing/sensing, waveguiding and light feeding applications.</p> / Report code: LIU-TEK-LIC 2006:5

This Licentiate presents the main results of theoretical study of light propagation in photonic structures, namely lasing disk microcavities and photonic crystals. In the first two papers (Paper I and Paper II) we present the developed novel scattering matrix technique dedicated to calculation of resonant states in 2D disk microcavities with the imperfect surface or/and inhomogeneous refractive index. The results demonstrate that the imperfect surface of a cavity has the strongest impact on the quality factor of lasing modes. The generalization of the scattering-matrix technique to the quantum-mecha- nical case has been made in Paper III. That generalization has allowed us to treat a realistic potential of quantum-corrals (which can be considered as nanoscale analogues of optical cavities) and to obtain a good agreement with experimental observations. Papers IV and V address the novel effective Green's function technique for studying propagation of light in photonic crystals. Using this technique we have analyzed characteristics of surface modes and proposed several novel surface-state-based devices for lasing/sensing, waveguiding and light feeding applications. / <p>Report code: LIU-TEK-LIC 2006:5</p>

L'objectif de la thèse est la fabrication et caractérisation de microlasers 3D à base de polymères dopés par des colorants organiques et des nanoparticules d'erbium et Ytterbium. Au début, nous avons étudié des structures polymères avec de très bons facteurs d'aspect, ainsi que le déplacement de nanoparticules lors de l'exposition à un éclairement périodique. La réalisation majeure de cette thèse est l'obtention de microlasers 3D par lithographie UV. Ensuite nous avons comparé les seuils lasers de ces structures pour différentes méthodes de fabrication. Dans des micro-cubes, nous avons identifié des orbites périodiques planes en forme de carré. L'analyse des orbites périodiques dans des microlasers Fabry-Perot 3D a montré que leur forme dépend du colorant, de la nature du substrat et de la taille de la structure (largeur et épaisseur).La dernière partie de ce travail consiste en la synthèse de nanoparticules d'oxyde d'erbium et ytterbium à basse température et en milieu anhydre. Ces nano-particules ont ensuite été introduites dans des composites à base de polymères qui ont donné lieu à la fabrication de micro-lasers 3D et à leur caractérisation. / The aim of the thesis is the fabrication and optical characterization of three-dimensional organic microlasers based on organic dyes and luminescent erbium/ytterbium nanoparticles.At the beginning, we considered submicron polymer structures with high aspect ratio, as well as the phenomenon of redistribution of nanoparticles in the volume of the composite during the exposure by a periodic light field pattern.The main part of the work is devoted to obtaining three-dimensional polymer microlasers by UV-lithography. Comparison of the lasing threshold for microcavities obtained by different methods was performed. Periodic orbits in cuboid microlasers with square cross-section were identified. Analysis of possible periodic orbits in microlasers Fabry-Perot showed that the shape of the orbit depends on the dye, the type of substrate and the size of the microlaser (width, height).The last part of the work contains a study of low-temperature synthesis of luminescent nanoparticles of erbium and ytterbium oxides in a anhydrous medium, and polymer composites based on them. Three dimensional organic microlasers doped by these luminescent nanoparticles were obtained and investigated.

Ce travail s'inscrit dans le cadre général de l'étude des mécanismes de couplage entre oscillateurs. Deux aspects sont abordés qui concernent respectivement le couplage par proximité de deux microlasers au sein d'une même galette et les interactions entre modes de polarisation dans les microlasers YAG présentant de faibles anisotropies.<br />L'étude expérimentale du couplage de deux lasers continus a mis en évidence trois régimes dynamiques différents qui apparaissent successivement à mesure que les fréquences propres des cavités des lasers se rapprochent : i) lasers quasi indépendants, ii) instabilités périodiques et chaotiques et iii) verrouillage de phase des lasers.<br />Le modèle développé pour rendre compte des caractéristiques du couplage introduit un coefficient de couplage complexe. Il reproduit de façon remarquable l'ensemble des résultats expérimentaux et de plus a permis de proposer une méthode fiable de mesure du coefficient de couplage. Une étude détaillée du recouvrement entre les modes des lasers et le profil non uniforme du gain et de l'indice de réfraction a permis d'établir une expression analytique reproduisant correctement l'évolution des parties réelle et imaginaire du coefficient de couplage en fonction de la distance entre lasers.<br />La dynamique de polarisation des microlasers YAG, et en particulier des lasers Nd3+,Cr4+:YAG, met en jeu la biréfringence liée aux contraintes locales, l'anisotropie de gain induite par un faisceau de pompe polarisé linéairement et de celle de l'absorbant saturable. Suivant l'importance relative de ces différentes anisotropies, le laser peut émettre dans l'un et/ou l'autre des modes propres de la biréfringence ou avoir une polarisation orientée de façon privilégiée suivant l'un des axes cristallins de l'absorbant. <br />Les observations expérimentales ont pu être reproduites analytiquement et/ou numériquement à l'aide d'un modèle qui rend compte de l'évolution temporelle des composantes du champ selon les axes propres de la biréfringence ainsi que celle de leur phase relative. L'anisotropie du gain est décrite par deux coefficients d'anisotropie respectivement relatifs à la pompe et au laser. L'anisotropie de l'absorbant saturable est prise en compte grâce à l'introduction d'inversions de populations associées à chacun des axes cristallins.

Le contrôle 3D de la lumière est réalisé, à l'échelle de la longueur d'onde, dans des circuits photoniques intégrés. La brique élémentaire choisie dans cette étude est le cristal photonique (CP) membranaire qui, par ses propriétés de dispersion, permet un contrôle de la lumière à la fois dans le plan (optique guidée) et hors du plan (dispositifs adressables par la surface). En particulier, l'exploitation de modes de Bloch situés au point Gamma de la courbe de dispersion (k//=0) permet l'émission de la lumière dans la direction verticale. Dans cette étude, nous nous sommes focalisés sur des cristaux photoniques à réseaux de micropiliers, comme alternative aux réseaux de trous, mais également en envisageant la possibilité d'intégrer ces structures dans des systèmes microfluidiques, les fluides ayant la capacité de circuler au travers des réseaux de piliers. Nous décrirons dans une première partie, des dispositifs à CP à émission par la surface. Nous démontrerons, pour la première fois, que l'utilisation de modes fortement résonants permet de réaliser des microlasers à réseaux de piliers en InP. Les modes faiblement résonants peuvent être utilisés pour la réalisation de miroirs à CP et de microcavités Fabry-Pérot constituées uniquement de tels miroirs. Les facteurs de qualité obtenus (>10000) rendent possible la fabrication de nouveaux types de VCSEL. Dans une seconde partie, nous nous intéresserons à la problématique de l'intégration de ces dispositifs dans un circuit photonique 3D. Tout d'abord, nous expliquerons comment il est possible d'optimisation le diagramme de rayonnement des composants. Ensuite, nous étudierons le couplage de dispositifs à cristaux photoniques avec un ou deux guides d'onde ruban en silicium. De fortes efficacités de couplage sont obtenues en simulation FDTD 3D (95%). Ces dispositifs en cours de fabrication en collaboration avec le LETI-CEA de Grenoble permettront de démontrer expérimentalement ce couplage.

This thesis deals with the development and investigation of composite-cavity (CC) organic microresonators comprising a vertical cavity (VC) and a distributed feedback structure (DFB). Prepared as separate devices, these two resonators are extensively investigated and characterized by their far-field radiation patterns, emission spectra, and dispersion characteristics. Although the vertical and lateral systems are based on entirely different concepts leading to distinct symmetries, confinement mechanisms, and processes of optical feedback, devices produced with the same set of materials show comparable lasing thresholds. The different angular dispersions of cavity and waveguide (WG) resonances are employed in a laterally structured vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL), where a periodic grating serves as a diffractive coupler between these two regimes. A coherent interaction of the vertical and horizontal system is observed as pronounced anticrossings of parabolic and linear dispersion curves in the far-field spectra. As a result from this coherent coupling, the hybridized WG-VCSEL modes show stimulated emission in far-field regions, where the individual photonic structures would not reach the lasing threshold in a decoupled scenario. Efficient optical feedback in surface-normal and in-plane direction is achieved by combining a VC and a second-order DFB structure in a continuous tunable CC microresonator. The optical coupling is due to a first-order light diffraction on a second-order Bragg grating and, in the degenerate case, can be as efficient as the coupling observed in more classical cascade coupled cavities. When the system is non-degenerate, the diffraction efficiency is suppressed because of sub-coherence-length dimensions of the composite-cavity and both resonators tend to operate as independent structures, without experiencing substantial losses due to diffraction on the distributed-feedback grating. Dispersion characteristics of multiple resonances are recorded and related to calculated modes, their field profiles, and coupling efficiencies. In combination with the analysis of input-output measurements, the lasing characteristics of vertical and lateral resonances are controlled by adjusting specific design parameters of the system. For identical resonance energies, the distinct resonators show coherent interaction in the cross-coupled configuration, if the quality of the resonances and the cross-coupling efficiency meet the condition of strong photon-photon interaction. This resonant coupling has a fundamental impact on dispersion and lasing characteristics of the system. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung von organischen Mikroresonatoren, die eine Kompositkavität aus einem Oberflächenemitter und einem Resonator mit verteilter Rückkopplung (DFB) beinhalten. Diese beiden Resonatortypen werden zunächst als separate Strukturen hergestellt, untersucht und über deren Intensitätsverteilungen im Fernfeld, Emissionsspektren und Dispersionseigenschaften charakterisiert. Die vertikalen und lateralen Strukturen basieren auf unterschiedlichen Konzepten, die zu völlig verschiedenartigen Symmetrien, Mechanismen des elektromagnetischen Einschlusses und Arten der optischen Rückkopplung führen. Nichtsdestotrotz weisen diese Resonatoren, die mit dem gleichen Materialsatz hergestellt wurden, ähnliche Laserschwellen auf. Die unterschiedliche winkelabhängige Dispersion von Vertikal- und Wellenleitermoden werden in einem lateral strukturierten Oberflächenemitter (VCSEL) ausgenutzt. In dieser Struktur dient eine periodisches Gitter als Kopplungselement zwischen diesen beiden Bereichen. Eine kohärente Wechselwirkung zwischen vertikalem und horizontalem System zeigt sich durch das Auftreten von ausgeprägten Antikreuzungspunkten parabolischer und gerader Dispersionskurven in den winkelaufgelösten Emissionsspektren. Die Folge dieser kohärenten Kopplung ist das Entstehen von Lasermoden in Bereichen des Fernfelds, wo die einzelnen Resonatoren im entkoppelten Zustand die Laserschwelle nicht erreichen würden. Eine wirksame optische Rückkopplung sowohl in Richtung der Oberflächennormalen als auch in lateraler Richtung wird durch die Kombination einer VCSEL und einer DFB-Struktur zweiter Ordnung in einem kontinuierlich durchstimmbaren Kompositresonator erreicht. Die optische Kopplung wird durch Beugung erster Ordnung am Bragg-Gitter zweiter Ordnung realisiert. Im entarteten Fall werden Kopplungseffizienzen beobachtet, die vergleichbar mit denen klassisch kaskadengekoppelter Mikrokavitäten sind. Für verschiedene Energieeigenwerte der zwei Resonatorkomponenten führt die im Vergleich zur Kohärenzlänge geringe Ausdehnung der Kompositkavität zu einer nahezu unabhängigen Tätigkeit der beiden Resonatoren mit nur geringen Verlusten durch Beugung an der periodischen Struktur. Die Dispersionseigenschaften von mehreren Resonanzen werden gemessen und berechneten Moden, deren Feldverteilungen und Kopplungseffizienzen zugeordnet. In Verbindung mit der Analyse der Intensitäten der Lasermoden in Abhängigkeit der Pumpleistung werden die Laserschwellen durch die Anpassung spezifischer Designparameter kontrolliert. Für identische Resonanzenergien weisen die unterschiedlichen Resonatoren eine kohärente Wechselwirkung auf, falls die Qualität der Moden und die Beugungseffizienz die Bedingung für starke Photon-Photon-Kopplung erfüllen. Diese resonante Kopplung zeigt einen fundamentalen Einfluss auf die Dispersions- und Lasereigenschaften im Kompositsystem.