Différentes familles de cristaux photoniques bidimensionnels

Cristaux photoniques bidimensionnels utilisés comme filtre accordables

Les CPs-2D sont des structures ayant un fort potentiel en termes d’applications, une des applications envisagées étant d’utiliser ces CPs-2D pour le traitement tout optique du signal. C’est ce qui a été réalisé dans des cristaux photoniques 2D à base de matériaux III-V.II a été démontré qu’en fabriquant des CPs unidimensionnels ou bidimensionnels avec ou sans défaut dans un matériau possédant une non linéarité du troisième ordre de type Kerr, on peut réaliser des fonctions optiques (filtres accordables, commutateurs ou de émetteurs, amplificateurs…) [24, 25]. Les premiers travaux sur des CPs optiquement reconfigurables ont été réalisés dans des membranes d’InP incorporant des boites quantiques en InAs0,65 P0,35/InP (5 nm/20 nm) reportées sur silicium via une couche de silice [26, 27, 28]. La membrane est percée d’un réseau de trous d’air de type graphite d’une période de 770 nm avec un facteur de remplissage en air de 20%. Ces paramètres ont été choisis de façon à obtenir un mode photonique ayant une vitesse de groupe nulle au voisinage du point г autour de 1.55 μm (point A de la FigureI.23a).

La bande d’absorption des boites quantiques contient la fréquence du mode du CP. L’idée dans ces travaux, était de modifier l’indice de réfraction des boites quantiques en modifiant la population de porteurs dans ces boites quantiques par excitation optique et d’observer le déplacement des courbes de dispersion. La courbe en gras représente la réactivité linéaire quand Ipompe = 0. Les courbes a, b, c, d et e représentent respectivement les spectres de réflectivités quand la pompe est incidente et est égale à: 0.19 kW/cm2, 0.43 kW/cm2, 0.74 kW/cm2, 1.13 kW/cm2 et 1.7 kW/cm2. La figure I. 23. (b) représente les résultats obtenus sur la structure par l’utilisation d’une expérience pompe-sonde. En régime linéaire, lorsque seule la sonde est incidente, on observe en réflexion une résonance de Fano [29] très étroite centrée autour de 1543.3 nm (pic »linear ») correspondant à un mode photonique en г. Ce mode correspondant au point A de la figure I. 23. (a). C’est un mode dégénère qui peut se coupler avec une onde incidente, le couplage de cette onde se traduisant par un maximum en réflexion. Lorsque la pompe est également incidente à 810 nm, on a une absorption des boites quantiques qui va modifier l’indice effectif de la couche gravée.

Donc, la résonance se déplace en longueur d’onde vers le bleu (« blue shift »), ce déplacement augmente avec l’augmentation de l’intensité de la pompe. On peut constater également une amplification du signal réfléchi à partir de 1540 nm (pic d), cette amplification a été étudiée en détail dans la même équipe avec des changements dans les paramètres géométriques du réseau de graphite et de la structure InP-QD/silice/silicium [30]. Des travaux similaires pour observer une commutation ultra rapide (8 ps) aux longueurs d’onde des télécoms (1.5 μm) ont été réalisés dans des CPs bidimensionnels d’un réseau de type triangulaire de Al0,3Ga0,7As incorporant des puits quantiques de GaAs (10 nm), le tout déposé sur une couche épaisse d’AlOx [31]. Nous avons exposé avec ces quelques exemples, des travaux démontrant que les CPs-2D peuvent être utilisés à la fois comme filtres accordables en longueur d’onde (commutateurs), amplificateurs.

Ils peuvent également être utilisés comme lasers [32] même si le cristal photonique n’est pas réalisé dans un matériau non linéaire actif mais dans des substrats de silicium sur isolant qui sont à priori, optiquement non actifs. L’astuce est alors de doper une fine couche de silice au milieu d’un guide de silicium par des nano-cristaux de silicium et d’erbium (Figure I. 24. (a)). La figure I. 24. (b) représente les spectres de photoluminescence (PL) et de réflectance (R) mesurés à température ambiante entre 0.7 et 0.88 eV (1.77-1.4 μm) obtenus pour deux structures de cristaux photoniques à réseau triangulaire ayant le même facteur de forme (r/ =0.33) mais de périodes différentes ( = 1210 nm et 1070 nm). r est le rayon des trous. Les structures ont été excitées à 532 nm (le faisceau à une puissance de 20 mw et un col qui fait 100 μm sur la surface de l’échantillon) et la PL a été observée au point г dans la direction normale a la surface ( = 0°). Elle correspond à l’excitation d’un mode photonique autour de 0.8 eV (1.55 μm) pour les deux structures. Cette PL a été trouvée 250 fois plus grand que celle obtenue dans la région non gravée, cette énorme exaltation est obtenue grâce au couplage résonnant entre la bande d’émission des cristaux d’erbium et celle d’un mode du cristal photonique situé au-dessus du cône de lumière. Ces résultats montrent la possibilité d’obtenir, dans la filière silicium, de l’émission de lumière par des effets non linéaires aux longueurs d’ondes des télécommunications optiques.

Conclusion Générale

Les cristaux photoniques sont de nouveaux matériaux dont les propriétés optiques permettent de manipuler la lumière à l’échelle de la longueur d’onde. Ces cristaux sont des structures dont l’indice diélectrique varie fortement à l’échelle de la longueur d’onde sur une, deux ou trois directions de l’espace. Cela en fait des réflecteurs efficaces, multidirectionnels, et compacts dont l’utilisation permet d’envisager une réduction en taille des composants d’optique guidée. Ces nouveaux matériaux pour l’optique peuvent par exemple interdire la propagation de la lumière dans certaines directions et pour des énergies comprises dans ce que l’on appelle une bande interdite photonique BIP (ou un gap photonique). Aussi ils permettent d’envisager la réalisation de dispositifs nanométriques pour la manipulation de la lumière. Des nouveaux comportements apparaissent, se différenciant nettement de ceux de l’optique traditionnelle. Une des premières applications des cristaux photoniques qui a été proposée est le contrôle de l’émission spontanée d’un émetteur placé dans un cristal photonique.

Brièvement, si la fréquence d’un émetteur placé dans un cristal photonique se situe dans la bande interdite photonique, l’émission spontanée est supprimée. Par contre l’émission de l’émetteur peut être exaltée, si sa fréquence coïncide avec des bandes permises dont la densité d’état est grande ou bien en utilisant des microcavités optiques de grand facteur de qualité. Si l’on introduit des défauts dans le cristal photonique, de nouveaux états permis apparaissent dans la bande interdite photonique, comme lors du dopage des impuretés d’un semi-conducteur. La lumière peut être confinée selon plusieurs dimensions selon le défaut et la dimensionnalité du cristal photonique. Par exemple, si l’on introduit un défaut unidimensionnel dans un cristal photonique bidimensionnel, la lumière est confinée en deux dimensions. Une cavité bidimensionnelle est créée. Si l’on introduit un défaut linéaire dans un cristal photonique bidimensionnel, la lumière est confinée dans une dimension et elle est libre de se propager dans l’autre dimension, ce qui constitue un guide d’onde. En utilisant ces concepts de base, il est alors possible de concevoir des dispositifs pour l’optique intégrée avec ces cavités et ces guides d’ondes à base des cristaux photoniques bidimensionnels. L’introduction d’éléments à base de cristaux photoniques permettrait de traiter toute l’information sous forme lumineuse et de miniaturiser les circuits actuels.

C’est la raison pour laquelle de nombreuses propositions pour des dispositifs à base de cristaux photoniques ont été faites et parfois déjà réalisées, comme les guides d’ondes, les virages, les filtres sélectifs. Cette recherche avait pour objectifs la conception, la caractérisation de composants à base des cristaux photoniques bidimensionnels. Dans le premier chapitre, nous avons présenté quelques définitions et descriptions des cristaux photoniques, nous nous sommes intéressés à certain concepts sur les cristaux photoniques bidimensionnels, et nous avons étudié les notions de bandes interdites photoniques et le diagramme de bande. Finalement, nous avons cité quelques applications des cristaux photoniques bidimensionnels. Dans le second chapitre, nous avons présenté le principe des différences finies dans le domaine temporel, applicable à des structures à l’échelle de la longueur d’onde. Nous avons détaillé le principe des différences finies et vu comment faire la discrétisation spatiale et temporelle des équations de Maxwell, nous avons vu aussi le critère de stabilité. Nous avons explicité les équations discrétisées et implémentées dans l’algorithme de la FDTD-2D.

Nous avons constaté que c’est une méthode de principe très simple. Cependant, la FDTD-2D ne nécessite aucune inversion de matrice, et ne connaît pas les limites numériques de l’algèbre linéaire. Le troisième chapitre a été consacré à la simulation et la réalisation des structures à cristaux photonique bidimensionnels sans défauts et avec défaut, comme les guides d’ondes W1KA et W3KA à mailles carré et triangulaire. Dans le dernier chapitre, nous avons conçu et simulé des différentes topologies des filtres sélectifs à base des cristaux photoniques bidimensionnels en utilisant la méthode FDTD-2D. Ces structures qui ont reçu une grande considération en optique intégré peuvent être réalisé par la création des taper et / ou des cavités résonantes de type Fabry-Perrot. En conclusion, au- delà des nombreux résultats présentés dans ce mémoire ont permis de mieux capturer de large gamme des possibilités offertes par l’exploitation des cristaux photoniques pour contrôler la lumière et par suite réaliser plusieurs fonctions selon les besoins de l’utilisateur.