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 d’indice, microcavité • Cristaux photoniques : principe • Cristaux 3D : Un “graal” rebelle • Cristaux 2D & Applications => Optique intégrée => sources => Voies exploratoires • Conclusion

Au commencement... onde stationnaire l/2n = interfrange l=1 mm n ~ 3 onde stationnaire l/2n = interfrange 150 nm miroir Interaction lumière-matière Contraste de l'indice réel Émetteurs/absorbeurs

Rôle du contraste d'indice Solution de l'éqn. d'onde en milieu 1D périodique Mode à w 1 x 2 a E k =π / a R Dw/w Dn/n l/2n n 1 n 2 L eff l n l L miroir de Bragg (multicouche) eff =             < 2 2n Dn si Dn > 0.5 l Echelle ~  <=> Fort contraste d’indice

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

EXTRACTION DE LA LUMIERE • les LEDs serviront à l'éclairage d'ici 10-20 ans Ampoule W LED  "high-brightness" 10% 80% LED  record 50% Limite probable Indice n~3 h = 2 - 4 % ~97 % • Solution actuelles : - optique géométrique - LEDs à microcavité record h = 29% (à 920 nm, M. Rattier et al.) 10 …100% miroirs Couche émettrice Émission directionnelle

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

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

Systèmes périodiques & Dn Holographie/photoréfractifs fibre à réseau de Bragg Miroir laser DFB ou DBR qqs103 L • faible contraste d'indice Dn => • faible domaine spectral/angulaire • encombrement ~1 mm >>> l n 1 faible G n 2 n 1 si Dn > 0.5 L eff Miniaturisation => fort Dn Tolérance => 1-3 nm ?? Donc

LES BANDES INTERDITES à 2D kz ~Dn/n Omnidirectionnalité cas 2D kx w 1 w 2 cas 1D structure Directions interdites Réseau triangle => Moins de contraste suffit à créer des Bandes Interdites Espace réciproque 1D 2D … 3D ...

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

CONTRÔLE DE L'EMISSION SPONTANEE Interaction lumière-matière  DOS de photons DOS=density-of-states (des photons) Air band Dielectric band w 3D DOS 2D 1D w

LES DEFAUTS DOS (photons) Air band Dielectric band 1D defect ~ Effet Purcell DOS (photons) Dielectric band Air band 1D defect Localised defects

CONTRÔLE DE SIGNAUX OPTIQUES Virages ultra-compacts (Mekis et al. PRL, 1996) -Microcavités à très haut Q -Filtres Add Drop (Fan et al. PRL, 1997) u = 0.25076 ! Colonnes d'air

LES BANDES PERMISES - Supercollimateur - Superprisme Contours iso-w 40° 30° diffraction~0  1 µm 

Cristaux 3D : graal Concepts Contrôle de l'émission spontanée via l'annulation de la DOS Boîte à photon ultime, à fuite "contrôlée" Réalité 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)

Black arrows show micro-voids formed during calcination. Opale inverse Source : W. Vos, U. Twente Spheres provide a template for inverted structure formed by in-filling of interstices, followed by selective sphere removal. (Differential etching or combustion.) Polycrystalline TiO2 (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. groupe du prof. Meseguer (Madrid)

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

2D…3D : voies en cours Silicium macroporeux W. Vos Halle/Toronto IEF

1ères études (MIT ...) d'un cristal 2D idéal: 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 E or "TM" Gap H or "TE" 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

SUBSTRAT vs. MEMBRANES + Gravure peu profonde  Interfaçage + "ligne de lumière"  Interfaçage Approche "membrane" Approche “substrat” + Interfaçage, actif/passif ,…  "ligne de lumière"  Gravure profonde

PROPRIETES DE BASE : SONDE PAR SOURCE INTERNE “lateral” PL 1100 Boites d ’InAs ou QWs PL signal (a.u.) 900 10 00 l (nm) QDs T cristal a=280nm Sept spectres recollés montrent un gap à bord raides ref. 200 nm 240 180 220 Bord de bande raide bande interdite photonique 260 nm 300 nm I 2 ( l ) 280 nm K ( ) I 1 l PL frontale G a=260nm TE G K 0.8 Bord clivé 0.7 0.6 d 0.5 TE transmission along 0.4 0.3 Z excitation 0.2 X laser 0.1 0.2 0.24 0.28 0.32 small l - range u=a / l => variable a / l various periods a

OMNIDIRECTIONNALITE DU GAP K TE G M 15 rangées 15 rangées u=a l / (fréquence) u=a l / 0.18 0.32 0.20 0.24 0.22 0.26 0.28 0.30 180 nm 200 220 240 260 280 300 nm Bande interdite directionnelle Bande interdite OMNIdirectionnelle Bande interdite directionnelle 0.7 0.5 0.5 0.9 transmission transmission

GUIDES ET CAVITES ~ Thèse de S. Olivier (PMC, 1999-2002) laser Guides droit Interféromètre Fabry-Perot 2 µm spacer k // =0 T (l) miroir 1 miroir 2 Longueur d ’onde(nm) 0.1 0.2 0.3 0.4 980 1000 1020 1040 transmission Q -1 T max  1 µm  Cavité isolée 940 960 980 1000 1020 1040 wavelength (nm) P.L. (a.u.) H7 Q is resol.-limited ! laser Virage à cavité résonante Guide+virage Cavité +guide

OPTIQUE INTEGREE (LPN) A. Talneau et al. gravure CAIBE à KTH Laboratoire de Photonique et de Nanostructures

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

GUIDE A CAVITE COUPLEES (CROW) Transmission (u.a.) u=a/l t t Mini-bandes de transmission du guide à cavités couplées centrées sur les fréquences des modes de la cavité isolée t t t t t t => systèmes à vg réduite fréquence normalisée Nt

La montée des facteurs (de qualité) MEMBRANES La montée des facteurs (de qualité) Q/(taille linéique du défaut) (~Q/V) 100,000 Noda "(L4)" Cal'tech 10,000 1,000 100 1998 2000 2002 2004 Reste à mettre ensemble pour les sources à 1 photon • pompage électrique • Q élevé •"100% integrée"

MEMBRANES & lasers Résultats du LEOM (thèse C. Monat) Cristal photonique III-V SiO2 Substrat Si • 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 Source GES Source GES

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

EXTRACTION OMNIDIRECTIONNELLE Lumière guidée piégée ... => extraction à la périphérie de l'aire active en quelques microns ? Extraction omnidirectionnelle ? 100µm Pavage d ’Archimède Réseau de tranchées 1 2 3 4 q =30° a(2+v3) A13 Thèse M. Rattier + APL 2003 Diagramme angulaire I(q) Mesure de la PL diffractée

fibres et lasers à cristal photonique • Fibres à cristal photonique ! La >> l ! ktransverse<< klongitudinal => Contrôle TRANSVERSE de la lumière => mise en œuvre dans les VCSELs Trous d'air L • "Contrôle modal transverse » Dans des lasers larges « in-plane » • power laser with reduced M2 (Vurgaftman APL 79, 1475, Bewley APL 79 3221) • coupled-cavity lasers, tunable lasers Un seul mode transverse autorisé dans un ruban large ….

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 b~1 integrée • Source à photons uniques integrée

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

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

Directions d'exploration appliqué Capteurs / MOEMS Modification de l'émissivité Structures métallo-diélectrique fondamental

DES MONDES PROCHES Institut Fresnel "Filtre WDM intégral" Opt. Letters, 15 nov 2003 S. Olivier et al. Institut Fresnel "Filtre WDM intégral" (la quintessence des anomalies de Wood) Thèse de AL Fehrembach Filtre Add-Drop à Interaction distribuée L=26a principe 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1510 1530 1550 1570 1590 l (nm) Bar Channel Cross Transmission Q=1500 a1= 20 cm-1 a7=400 cm -1 kab kb

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. 1995-2001 2000-2003 CRIPOINT (RMNT) •LEOM •GES •IEMN •LPN •PMC 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) 2001-2003 IST - project

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

19-avril / 1er-mai 2004 (2 semaines) Annonce d'Ecole d'Ete "Nanophotonics" à Cargèse (Corse) 19-avril / 1er-mai 2004 (2 semaines) 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) • ... • Photonic crystals & microcavities • Nanostructured metals & plasmons • Devices • Nano-biophotonics • Near-field probing • Negative refraction & left-handed materials • ... ~60 attendees

Blanc

TRANSMISSION ET BANDES TE G K fréquence normalisée TE G M u=a / l u=a / l 15 rangées 0.32 0.20 0.24 0.22 0.26 0.28 0.30 0.18 0.18 0.32 0.20 0.24 0.22 0.26 0.28 0.30 180 nm 200 220 240 260 280 300 nm Dk = Cte . . . BANDE INTERDITE "TE"   WDM 2000 2008 0.7 0.5 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.5 0.9 transmission vecteur d'onde normalisé transmission

Cristaux 3D : exemples LPN (Marcoussis) APL 2000

MODES A TAUX DE FUITE CONTROLE Uniform guide Mode à fuite G •compte ppale : grand kx • compte secondaire: petit kx Guide perforé Plusieurs composantes dek z Mode rayonnant Mode guidé k=ncladw/c ncladw/c z-evanescent kin-plane kin-plane •condition to AVOID coupling to radiation modes : kin-plane> ncladw/c "Mode under the light cone (light line)" G

? PERT ES minigap guide à cristaux 100 guide ridge 900 1000 1100 comparaison guide “ridge” / guide à cristaux guide à cristaux 100 guide ridge luminescence intensity (a.u.) minigap 900 1000 1100 wavelength (nm) Les fluctuations mènent à des pertes plus faibles dans le guide à cristal photonique que dans le guide “ridge”

EXTRACTION DE LA LUMIERE • les LEDs serviront à l'éclairage d'ici 10-20 ans Ampoule W LED  "high-brightness" 10% 80% LED  record 50% Limite probable Indice n~3 2 - 4 % ~97 % • Solution actuelles : - optique géométrique - LEDs à microcavité miroirs Couche émettrice Émission directionnelle • Lumière piégée (n=3) ~ modes guidés

Dépôt de titane et de Résine Gravure profonde Dépôt de titane et de Résine Lithographie électronique Gravure du titane B) Gravure profonde Dépôt de polymère (bicouche) Lithographie électronique Dépôt du titane par pulvérisation Lift off

modes à dispersion / vg contrôlée w 2 w 1 grande zone dispersive lié au fort Dn k =π / a 2π / a k Effet superprisme Da = 90° pour Dl/l=1-2% ? (St Andrews : 10°/ 5 nm @ 1300 nm)

Équipe du Prof. Noda (Kyoto) Tas de bois Équipe du Prof. Noda (Kyoto)

CIRCUITS INTEGRES PHOTONIQUES Switch 4 x 4 Switch 2 x 2 (ECIO’99, Univ. Tech. Berlin)   (ECIO’99, Univ. de Delft) 70 x 8 mm 12 x 4 mm Mach-Zehnder r Interferometer = 15 mm 12 x 4 switch élémentaires thermiques  MMI r = 500 µm 0.3 W par switch t switch ~200 µs Polymère /SiO 2 /Si sur InP

Biophotonique ? - émetteurs fluorescents intégrés ? Verre