Puisqu’ils offrent la possibilité d’intégrer monolithiquement un grand nombre de composants à un faible coût, les circuits intégrés photoniques (CIPs) sont devenus une plateforme de choix pour la réalisation de capteurs optiques sur puce. Cette thèse propose, puis démontre l’utilisation de CIPs sur silicium pour la réalisation de polarimètres et de spectro-polarimètres sur puce. Dans le premier chapitre, nous présentons un séparateur de polarisation utilisant un réseau de nano-antennes en forme d’arêtes de poisson sur silicium. Nous montrons également qu’une structure de la sorte est en mesure de séparer deux états de polarisation arbitraires qui sontorthogonaux entre-eux. De plus, nous avons amélioré le précédent modèle théorique existant pour y inclure ce phénomène. Dans le second chapitre, nous présentons et démontrons de façon expérimentale un polarimètre intégré sur silicium qui requiert 6 photodétecteurs (6-PDs). Ici, la structure optimale veut dire que, pour un niveau de bruit donné, cette structure permet d’obtenir l’état de polarisation avec la précision la plus élevée. Nous démontrons également de façon théorique que cette configuration proposée peut maintenir un état optimal sur une plage de longueur d’onde de100 nm. Dans le troisième chapitre, nous proposons une jonction en « Y » paramétrisée dont le ratio de séparation de puissance peut être choisi avant la fabrication, lors de la conception. Sur une plage de longueur d’onde de 100 nm, les pertes de puissance de la jonction sont inférieuresà 0.36 dB, et ce, pour tout ratio arbitraire de séparation de puissance. De plus, sa taille de1.4 µm × 2.3 µm le rend très compact.Au chapitre 4, nous proposons un polarimètre optimal composé de quatre photodétecteurs(4-PDs) possédant ces propriétés à partir de la jonction en « Y » proposée au chapitre 3. Un polarimètre non-optimal est fabriqué de manière à montrer la différence entre celui-ci et le cas optimal. Les résultats expérimentaux montrent que l’erreur de reconstruction du composant optimal est inférieure de 44 % à celle du composant non-optimal.Dans le cinquième chapitre, nous proposons et faisons la démonstration d’un spectro- polarimètre réalisé intégralement sur puce. Afin de permettre une analyse spectro-polarimétrique iiicomplete, quatre micro-résonateurs à effet Vernier compacts sont intégrés monolithiquement avec un polarimètre large-bande. Le composant optique proposé offre une solution de spectropolarimétrie sur semi-conducteur tout en gardant une taille très compacte de 1 × 0.6 mm2et une faible consommation de puissance de 360 mW. La détection spectrale pour tous les composants de Stokes est démontrée sur une large plage de longueur d’onde de 50 nm, et ce avec une résolution de 1 nm par la caractérisation d’un matériau possédant une chiralité structurelle. / The ability to monolithically integrate numerous components in low-cost, photonic integratedcircuits (PICs) has become a hot topic in the research for realizing on-chip optical measurement. In this thesis, we propose and demonstrate two on-chip polarimeters and an on-chipspectropolarimeter using silicon PICs.In the first chapter, we investigate the optical properties of the silicon fishbone nanoantennaarray. We found that this type of structure can be used to identify any two arbitrary orthogonalpolarization states. The previous theoretical model was also improved upon in order to explainthis phenomenon.In the second chapter, we propose and experimentally demonstrate a silicon polarimeter whichrequires six photodetectors. We also theoretically demonstrate that the proposed configurationcan maintain an optimal state over a wavelength range of 100 nm. Here, the optimal structuremeans that for a given noise, the structure would allow for the highest and polarizationindependent accuracy of the polarization state measurement to be obtained.In the third chapter, we propose a parameterized Y-junction whose arbitrary power splittingratio can be selected in layout design. For an arbitrary power splitting ratio, its excess losscan keep below 0.36 dB over a wavelength range of 100 nm. Moreover, this device has anultra-compact footprint of 1.4 µm × 2.3 µm.Based on the Y-junction proposed in chapter 3, the fourth chapter proposes an optimal siliconphotonic polarimeter that only requires four photodetectors and its configuration is optimal.A non-optimal device is fabricated to show the difference between optimal and non-optimaldevices. The experimental results indicate that the reconstructed error of the optimal deviceis 44% lower than that of the nonoptimal device.In the fifth chapter, a completely chip-level spectropolarimeter is proposed. Four compactVernier microresonator spectrometers are monolithically integrated with a broadband polarimeter to achieve full-Stokes spectropolarimetric analysis. The proposed device offers asolid-state spectropolarimetry solution with a small footprint of 1 × 0.6 mm2 and low powerconsumption of 360 mW. Full-Stokes spectral detection across a broad spectral range of 50 nmwith a resolution of 1 nm is demonstrated in characterizing a material that possesses structuralvchirality.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/67062 |
| Date | 01 February 2021 |
| Creators | Lin, Zhongjin |
| Contributors | Shi, Wei |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxii, 108 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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