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1 GdR "ondes" 2003 Cristaux photoniques et microcavités : la lumière reformattée ? H. Benisty*, C. Weisbuch, S. Olivier, M. Rattier, E. Schwoob *Institut.

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1 1 GdR "ondes" 2003 Cristaux photoniques et microcavités : la lumière reformattée ? H. Benisty*, C. Weisbuch, S. Olivier, M. Rattier, E. Schwoob *Institut d'Optique, LCFIO (UMR 8501 du CNRS) Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, Ecole Polytechnique (UMR 7643 du CNRS) Contraste dindice, microcavité Cristaux photoniques : principe Cristaux 3D : Un graal rebelle Cristaux 2D & Applications => sources Conclusion => Voies exploratoires => Optique intégrée

2 2 GdR "ondes" 2003 Au commencement nm =1 m /2n = interfrange n ~ 3 Émetteurs/absorbeurs Interaction lumière-matière Contraste de l'indice réel miroir onde stationnaire

3 3 GdR "ondes" 2003 Mode à 1 0 x Mode à 2 a x 0 E k 0 =π / a k R 1 n/n E 2 Rôle du contraste d'indice n n 2 1 n Echelle ~ Fort contraste dindice miroir de Bragg (multicouche) L eff = < 2 2n n n si n > 0.5 L eff Solution de l'éqn. d'onde en milieu 1D périodique

4 4 GdR "ondes" 2003 Microcavités 150 nm Régime perturbatif : Absorption & émission renforcées à résonance Régime quantique : Physique 2D pour l'interaction exciton/photon (couplage fort, oscillation de Rabi,…) Top mirror Bottom mirror

5 5 GdR "ondes" 2003 EXTRACTION DE LA LUMIERE les LEDs serviront à l'éclairage d'ici ans Ampoule W LED "high-brightness" 10%80% LED record 50% Limite probable Solution actuelles : - optique géométrique - LEDs à microcavité record = 29% (à 920 nm, M. Rattier et al. ) Indice n~3 = % ~97 % Émission directionnelle Couche émettrice miroirs 10 …100%

6 6 GdR "ondes" 2003 circuits, ondes, matériaux Circuit électronique (site IBM) filière Silicium rôle croissant des composés : III-V, IV-IV diélectriques, polymères (nano-impression,...) ? Circuit photonico-utopique

7 7 GdR "ondes" 2003 GUIDAGE DIELECTRIQUE : JE T'AIME, MOI NON PLUS Ne marche pas bien aux transitions Marche mais ~ sans tolérance Trous d'air Marche …("éternellement monomode") mais pas à cause des bandes interdites Source : LEOM Source : J.Knight

8 8 GdR "ondes" 2003 Systèmes périodiques & n Holographie/photoréfractifsfibre à réseau de Bragg n 2 n 1 n 1 Miroir laser DFB ou DBR faible qqs10 3 faible contraste d'indice n => faible domaine spectral/angulaire encombrement ~1 mm >>> faible contraste d'indice n => faible domaine spectral/angulaire encombrement ~1 mm >>> si n > 0.5 L eff Miniaturisation => fort n Tolérance => 1-3 nm ?? Miniaturisation => fort n Tolérance => 1-3 nm ?? Donc

9 9 GdR "ondes" 2003 LES BANDES INTERDITES à 2D Omnidirectionnalité cas 2D Réseau triangle => Moins de contraste suffit à créer des Bandes Interdites Espace réciproque structure Directions interdites 1D 2D … 3D... kxkx kzkz cas 1D n/n 2 1

10 10 GdR "ondes" 2003 Bandes interdites et dimension 1 D 3 D Dimension structure Directions interdites Directionelle Omnidirectionelle fabrication !! ?? 2 D+1D Confinement Vertical par guide Confinement Horizontal par Bande Interdite Faisable TIR 2 D Faisable (Si macroporeux) (lithographie + gravure...)

11 11 GdR "ondes" 2003 CONTRÔLE DE L'EMISSION SPONTANEE Interaction lumière-matière DOS de photons (des photons) Dielectric band Air band 3D 2D 1D DOS DOS=density-of-states

12 12 GdR "ondes" 2003 LES DEFAUTS DOS (photons) Dielectric band Air band 1D defect Localised defects ~ Effet Purcell

13 13 GdR "ondes" 2003 CONTRÔLE DE SIGNAUX OPTIQUES ! Virages ultra-compacts (Mekis et al. PRL, 1996) Colonnes d'air u = Microcavités à très haut Q -Filtres Add Drop (Fan et al. PRL, 1997)

14 14 GdR "ondes" ° 30 ° LES BANDES PERMISES - Superprisme diffraction~0 Contours iso- - Supercollimateur 1 µm

15 15 GdR "ondes" 2003 Cristaux 3D : graal démonstration du gap, etc. faite en micro-onde + délicat en optique (Si, opales inverses, tas de bois) pas si convaincant pour l'ém. spontanée qu'espéré (cf. par exemple Koenderink et al. PRL 2002) Contrôle de l'émission spontanée via l'annulation de la DOS Boîte à photon ultime, à fuite "contrôlée" Concepts Réalité

16 16 GdR "ondes" 2003 Opale inverse Polycrystalline TiO 2 (Anatase phase) inverted structure formed by calcination of latex sphere opal structure in-filled with titanium ethoxide solution. Black arrows show micro-voids formed during calcination. Spheres provide a template for inverted structure formed by in-filling of interstices, followed by selective sphere removal. (Differential etching or combustion.) groupe du prof. Meseguer (Madrid) Source : W. Vos, U. Twente

17 17 GdR "ondes" 2003 Contrôle de l'émission spontanée Fluorescence d'un colorant dans une opale inverse Ref. opales Koenderink et al. PRL 2002 Étude expérimentale délicate...

18 18 GdR "ondes" D…3D : voies en cours W. Vos Silicium macroporeux IEF Halle/Toronto

19 19 GdR "ondes" 2003 CRISTAUX 2D 1ères études (MIT...) d'un cristal 2D idéal: colonnes diélectriques (TM gap, E//z) infini suivant z le virage à 90° est facile,... Gap H or "TE" Gap E or "TM" Les Cristaux 2D réels : Réseau de trous d'air (gap "TE", H//z, gap TM optionnel) Finis suivant z : GUIDE D'ONDE ou Si macroporeux Les défauts canoniques ont des modes non triviaux p.ex. une rangée manquante => guide bimode

20 20 GdR "ondes" 2003 SUBSTRAT vs. MEMBRANES Approche "membrane" Approche substrat + Gravure peu profonde + "ligne de lumière" Interfaçage + Interfaçage, actif/passif,… "ligne de lumière" Gravure profonde

21 21 GdR "ondes" 2003 PROPRIETES DE BASE : SONDE PAR SOURCE INTERNE small range various periods a => variable a / Z X Bord clivé excitation laser d T cristal ref TE transmission along K u=a / TE K 300 nm 280 nm 260 nm Sept spectres recollés montrent un gap à bord raides I 2 ( ) () I 1 PL frontale a=260nm a=280nm lateral PL 1100 Boites d InAs ou QWs PL signal (a.u.) (nm) QDs nm 240 nm 180 nm 220 nm Bord de bande raide bande interdite photonique

22 22 GdR "ondes" 2003 OMNIDIRECTIONNALITE DU GAP nm nm 0.5 TE K / u=a transmission TE M u=a transmission 15 rangées / Bande interdite directionnelle Bande interdite directionnelle Bande interdite OMNIdirectionnelle (fréquence) 15 rangées

23 23 GdR "ondes" 2003 GUIDES ET CAVITES Longueur d onde(nm) transmission Q T max 2 µm spacer k // =0 T miroir 1 miroir 2 Interféromètre Fabry-Perot Cavité isolée Guide+virage Virage à cavité résonante Cavité +guide Guides droit 1 µm ~ Thèse de S. Olivier (PMC, ) laser

24 24 GdR "ondes" 2003 OPTIQUE INTEGREE (LPN) Laboratoire de Photonique et de Nanostructures A. Talneau et al. gravure CAIBE à KTH

25 25 GdR "ondes" 2003 PERTES, GRAVURE ET LEUR MESURE prof. # 3µm ~vertical f=40% gravure CAIBE à KTH GaInAsP 3.2 m 240nm gravure ICP à Opto+ ~ 1.5° ~ 1.0° Test optique de la qualité de la gravure Test optique de la qualité de la gravure bande interdite

26 26 GdR "ondes" 2003 GUIDE A CAVITE COUPLEES (CROW) Mini-bandes de transmission du guide à cavités couplées centrées sur les fréquences des modes de la cavité isolée Transmission (u.a.) u=a fréquence normalisée => systèmes à v g réduite

27 27 GdR "ondes" 2003 MEMBRANES La montée des facteurs (de qualité) 100,000 10,000 1, Q/(taille linéique du défaut) (~Q/V) Cal'tech Noda "(L4)" Reste à mettre ensemble pour les sources à 1 photon pompage électrique Q élevé "100% integrée"

28 28 GdR "ondes" 2003 MEMBRANES & lasers Résultats du LEOM (thèse C. Monat) Seuils de 0.25 mW lasers "DFB 2D" lasers à cavités H2 ou T2 Temp. Ambiante Intérêt du report sur silice Très bas seuil : ~50µW Cristal photonique III-V SiO 2 Substrat Si Source GES

29 29 GdR "ondes" 2003 MODELISATIONS FDTD FORTH M.Agio Beaucoup reste à faire - pertes hors du plan - méthodes modales - problème inverse !! 1 seul mode N modes Source : GES Source : LEOM FDTD avec pertes

30 30 GdR "ondes" 2003 EXTRACTION OMNIDIRECTIONNELLE => extraction à la périphérie de l'aire active en quelques microns ? Extraction omnidirectionnelle ? a(2+v3) A13 100µm Pavage d Archimède =30° Mesure de la PL diffractée Diagramme angulaire I ( ) Réseau de tranchées Lumière guidée piégée... Thèse M. Rattier + APL 2003

31 31 GdR "ondes" 2003 fibres et lasers à cristal photonique "Contrôle modal transverse » Dans des lasers larges « in-plane » power laser with reduced M 2 (Vurgaftman APL 79, 1475, Bewley APL ) coupled-cavity lasers, tunable lasers Un seul mode transverse autorisé dans un ruban large …. Fibres à cristal photonique ! a >> k transverse << k longitudinal => Contrôle TRANSVERSE de la lumière => mise en œuvre dans les VCSELs Trous d'air

32 32 GdR "ondes" 2003 Perspectives : nouvelles sources à 1 photon effet Purcell dans les microdisques / micropiliers Sources à 1 photon dans les micropiliers (Gérard et al.) pompage optique ou électrique Source à integrée Source à photons uniques integrée

33 33 GdR "ondes" 2003 perspectives : Nonlinéarités 1 2 k 0 =π / a k 2π / a accord de phase Modes de bord de bande nb de périodes N épitaxie délicate Modes de bord de bande nb de périodes N épitaxie délicate Génération d'harmonique dans un cristal 1D grande souplesse des structures 2D lithographiées grande souplesse des structures 2D lithographiées 1 2

34 34 GdR "ondes" 2003 Perspectives / atomes, chromophores Approche "membrane" Contrôler des atomes dans des modes de photons de Q>5000 ? et de faible volume ~( /2) 3 Contrôle des atomes froids ? Biophotonique ? atome Marqueur fluorescent

35 35 GdR "ondes" 2003 Directions d'exploration Capteurs / MOEMS Modification de l'émissivité Structures métallo-diélectrique appliqué fondamental

36 36 GdR "ondes" 2003 DES MONDES PROCHES Filtre Add-Drop à Interaction distribuée (nm) Bar Channel Cross Channel Transmission Q= = 20 cm -1 7 =400 cm -1 ab b L=26 a principe Opt. Letters, 15 nov 2003 S. Olivier et al. Institut Fresnel "Filtre WDM intégral" (la quintessence des anomalies de Wood) Thèse de AL Fehrembach

37 37 GdR "ondes" 2003 Ceux sans qui... C. Weisbuch, D. Labilloy, M. Rattier, S. Olivier, E. Schwoob Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, Ecole Polytechnique, Palaiseau, France; C.J.M. Smith, Univ of Glasgow, Optoelectronics Research Group, Glasgow, Scotland; T.F. Krauss, School of Physics and Astronomy, St Andrews, Scotland. Partners : - PMC (Palaiseau) - Wurzburg U.(A. Forchel) - FORTH (Heraklion, C. Soukoulis) - Opto+ / Alcatel (Marcoussis, G.H. Duan) - LPN (Marcoussis, A. Talneau) - EPFL (Lausanne, R. Houdré) - KTH (Kista, A. Karlsson, M. Qiu, B. Jaskorzinska) - IREE(Prague, IREE) IST - project CRIPOINT (RMNT) LEOM GES IEMN LPN PMC

38 38 GdR "ondes" 2003 Conclusions Cristaux photoniques comme nouvelle boîte à outils des "formats de lumière" mieux repertoriés microcavités 0D guidage par BIP/réfractif (1D) cavités planaires (2D) des germes de nouveauté et d'innovation dans une multitude de domaines

39 39 GdR "ondes" 2003 Annonce d'Ecole d'Ete "Nanophotonics" à Cargèse (Corse) 19-avril / 1er-mai 2004 (2 semaines) Photonic crystals & microcavities Nanostructured metals & plasmons Devices Nano-biophotonics Near-field probing Negative refraction & left-handed materials... Scientific/Program committee (partial) Ph. Lalanne (Orsay) H. Rigneault (Marseille) J.-M. Lourtioz (Orsay) R. Baets (Ghent) T.F. Krauss (St Andrews) H. Benisty (Orsay)... ~60 attendees

40 40 GdR "ondes" 2003 Blanc

41 41 GdR "ondes" 2003 TRANSMISSION ET BANDES transmission TE K TE M vecteur d'onde normalisé u=a / k = Cte nm nm 15 rangées transmission u=a / WDM fréquence normalisée BANDE INTERDITE "TE"

42 42 GdR "ondes" 2003 Cristaux 3D : exemples LPN (Marcoussis) APL 2000

43 43 GdR "ondes" 2003 MODES A TAUX DE FUITE CONTROLE z Mode guidé Mode rayonnant k=n clad /c z-evanescent k in-plane n clad /c k in-plane Uniform guide condition to AVOID coupling to radiation modes : k in-plane > n clad /c "Mode under the light cone (light line)" G Mode à fuite G comp te p pale : grand k x comp te secondaire: petit k x Guide perforé Plusieurs composantes dek

44 44 GdR "ondes" 2003 Les fluctuations mènent à des pertes plus faibles dans le guide à cristal photonique que dans le guide ridge PERTES wavelength (nm) luminescence intensity (a.u.) minigap comparaison guide ridge / guide à cristaux guide à cristaux guide ridge ?

45 45 GdR "ondes" 2003 EXTRACTION DE LA LUMIERE les LEDs serviront à l'éclairage d'ici ans Lumière piégée (n=3) ~ modes guidés Ampoule W LED "high-brightness" 10%80% LED record 50% Limite probable Solution actuelles : - optique géométrique - LEDs à microcavité Indice n~ % ~97 % Émission directionnelle Couche émettrice miroirs

46 46 GdR "ondes" 2003

47 47 GdR "ondes" 2003 Dépôt de titane et de Résine Lithographie électronique Gravure du titane Gravure profonde Dépôt de polymère (bicouche) Lithographie électronique Dépôt du titane par pulvérisation Lift off Gravure profonde A) B)

48 48 GdR "ondes" 2003 modes à dispersion / v g contrôlée 1 2 k 0 =π / a k 2π / a grande zone dispersive lié au fort n Effet superprisme = 90° pour =1-2% ? (St Andrews : 10°/ nm)

49 49 GdR "ondes" 2003 Tas de bois Équipe du Prof. Noda (Kyoto)

50 50 GdR "ondes" 2003

51 51 GdR "ondes" 2003

52 52 GdR "ondes" 2003

53 53 GdR "ondes" 2003 CIRCUITS INTEGRES PHOTONIQUES Switch 2 x 2 (ECIO99, Univ. de Delft) 12 x 4 mm MMI Mach-Zehnder Interferometer r = 500 µm sur InP Switch 4 x 4 (ECIO99, Univ. Tech. Berlin) r = 15 mm 70 x 8 mm Polymère /SiO 2 /Si 12 x 4 switch élémentaires thermiques 0.3 W par switch t switch ~200 µs

54 54 GdR "ondes" 2003 Biophotonique ? Verre - émetteurs fluorescents intégrés ?

55 55 GdR "ondes" 2003

56 56 GdR "ondes" 2003


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