Cristaux Photoniques, PO-014 Ecole doctorale photonique ... · Photonic crystals : towards...

Cristaux Photoniques, PO-014

Ecole doctorale photonique

Romuald Houdré

Semestre été 2007

I Introduction

Romuald HoudréIPEQ, [email protected]

Dates:

Cours:08 mai 2007 9:00-11:00 14h:00-16:0010 mai 2007 9:00-11:00 14h:00-16:0015 mai 2007 9:00-11:00 14h:00-16:0005 juin 2007 9:00-11:00 14h:00-16:0007 juin 2007 9:00-11:00 14h:00-16:0019 juin 2007 9:00-11:00 14h:00-16:0021 juin 2007 9:00-11:00 14h:00-16:00

Laboratoire, visitesModélisation 23 mai 2007 IPEQ

Fabrication, salles blanches xx/xx/xx IPEQMesures optiques 06 juin 2007 IPEQ

Exposés dates et lieu à définir

Organisation / modalités

Cours: copie des transparents distribués au début du cours

- téléchargeables, http://ipeq.epfl.ch/liengoeq/CPh

Bibliographie:

Photonic crystals : towards nanoscale photonic devices / J.-M. Lourtioz, Berlin : Springer

Les cristaux photoniques ou la lumière en cage / J.-M. Lourtioz, Paris : Hermes-Sciences

Photonic crystals : advances in design, fabrication, and characterization / K. Busch, Weinheim : Wiley-VCH

Photonic crystals : physics, fabrication and applications / K. Inoue, Berlin : Springer

Optical properties of photonic crystals / K. Sakoda, Berlin : Springer

Photonic Crystals and Light Localization in the 21st Century / ed. Costas M. Soukoulis, Dordrecht : Kluwer Academic

Publishers

Photonic band gap materials / ed. Costas M. Soukoulis, Dordrecht : Kluwer Academic Publishers

Photonic band gaps and localization / ed. C. M. Soukoulis, New York : Plenum

Photonic crystals : molding the flow of light / John D. Joannopoulos, Robert D. Meade, Joshua N. Winn, Princeton,

New Jersey : Princeton University Press

Roadmap on photonic crystals / Susumu Noda, Dordrecht : Kluwer Academic

Photonic crystals : the road from theory to practice / Steven G. Johnson, John D. Joannopoulos, Boston, Mass. :

Kluwer Academic

Photonic crystals : nanostructures for controlling light / M. Charlton and G. Parker, Bristol : Institute of Physics

Examen: oral

Exposé ( 30 min) approfondissant un chapitre du cours

à définir, par exemple:

Cavité optique à grand facteur de qualité / High-Q cavitiesFiltres multiplexeur-démultiplexeur / Add-drop filter

Couplage / Input-OutputMaillages métalliques / Metalic wiremeshes

Métamatériaux et réfraction négative / Metamaterials and negative refractionModes lents / Slow light

Cristaux photoniques plasmoniques / Plasmons photonic crystalsCristaux photoniques THz / THz photonic crystalsTechniques de modélisation / Modelling techniques

Techniques expérimentales / Optical measurementsAnalogies électrons, photons / Electron and photons analogies

...

liste non exhaustive

Plan

1 Introduction, survol du domaine.

•Introduction

•Histoire des cristaux photoniques

•Les principaux concepts

2 Théorie

•Cristal infini

-Equations de base

-Structure de bandes

-Ondes planes

•Cristal fini

-Matrice de transfert

-FDTD

3 Propriétés physiques

•Contrôle des ondes électromagnétiques

-Miroir

-Guide d’onde

-Résonateurs optiques

•Propriétés réfractives

•Diagramme de dispersion et nappes equi-fréquence

•Réfraction

•Analyse de Fourier des ondes de Bloch

•Superprisme, ultraréflectivité, réfraction négative

•Auto-collimation

4 Composants, fabrication et applications

•Techniques de fabrication

-écriture, gravure

-2D, III-V, Si, SOI

-3D, Opales

•Techniques de mesures

-Source interne

-Injection face clivée

•Guides d’onde à cristaux photoniques

•Composants

-Virages, diviseurs, coupleurs

-Filtres multiplexeurs / démultiplexeurs

-Spectromètres et interféromètres

-Coupleurs

-Polariseur et rotateur

-Lasers à cristaux photoniques

-Lasers 1D

-Amplificateurs

-Lasers cavités 0D

5 L'actualité

•Imagerie, Fourier, champ proche, résolu en temps

•Cavités à très grand facteur de qualité

•Modes lents

6 Sujets connexes

•Les matériaux 3D

•Les fibres à cristaux photoniques

•Les métamatériaux

De quoi nous allons parler :

brève introduction sur les cristaux photoniques

Physicien

Electrons dans un cristal

Deux langages pour un même objet

Champ cristallin, potentiel périodique V(r)

V(r+T) = V(r), théorème de Bloch ...

Structure de bandes En(k), n entier, k: vecteur d'onde

Bande permise, états permis, propagation possible

Bande interdite, pas d'états, propagation impossible

Zone de brillouin Relations de dispersion, En(k)

Physicien


Onde électromagnétique dans un milieu diélectrique structuré, sans pertes

Physicien


L'indice de réfraction a le même rôle formel pour une onde électromagnétique que le

potentiel cristallin pour les électrons

n(r+T) = n(r), théorème de Bloch ...

Structure de bandes n(k), n entier, k: vecteur d'onde

Indice de réfraction périodique n(r)

PhysicienDeux langages pour un même objet

Bande permise, états permis, propagation possible

Bande interdite, pas d'états, propagation impossible

OpticienMiroir de Bragg : multicouche diélectrique d'indice n1 et n2

0/4n1

n1

0/4n2

n2

0/4n1

n1

+0

+ /2 + /2 + /2 + /2 + /2

+ /2 + /2 + /2 + /2 + /2

+ +0 + +0 +

Les ondes réféchies interfèrent constructivement et conduisent à

une grande réflectivitéR 1 et T 0 pour 0

0


Grand n Petit n

Mode à 1

0 x

Mode à 2

a

x0

E 2

2

1

0

k0= / ak

R

1

/ n/nE

2

Grand n Petit n

Bande air

Bande diélectrique

Opticien

Deux languages pour un même objet

Opticien, bis, modes couplés

10 Bragg pairs in air (nhigh=3.48, nlow=variable)

Wavelength (nm)Wavelength (nm)Wavelength (nm)Wavelength (nm)

Structure diélectrique périodique 1D

Bande interdite autour de l'incidence normale

Modes couplés

Structure diélectrique périodique 3D

Bande interdite pour toutes les directions de propagation et toutes les polarisations)


Comme dans les semiconducteurs ce qui sera souvent intéressant ce sont les défauts et les impuretés

Défaut uni-dimensionelguide d'onde

Défaut ponctuelcavité optique

Défaut bi-dimensionelcavité planaire

Zoologie des cristaux photoniques

Modulation de l'indice

dans 1 direction de l'espace

•multi-couches diélectriques

dans 2 directions de l'espace

•réseaux dans des guides planaires•systèmes microporeux

dans 3 directions de l'espace

•auto-organisés, opales•micro (nano-) fabrication•systèmes microporeux

Zoologie des cristaux photoniques, 3D

Gravure (Yablonovite)


Micro-fabrication

"Tas de bois"


Auto-organisé

empilements sphères de silice, latex

structures inversée par infiltration et gravure sélective

Opales


Holographie


Silicium microporeux (anodisation)


Structuration bi-dimensionelle + guide d'onde plan


Guide planaire, faible contraste d'indice

GaAs / AlxGa1-xAs

InP / Ga1-xAsxInxP1-x-y

|n1-n2|<< nStructuration bi-dimensionelle + guide d'onde plan

"2+1" D

3.2 μ

m


Structuration bi-dimensionelle (x,y) + guide d'onde plan


membraneair/SiGaAs /airInP/air

air/Si/SiO2

air/InP/BCB

Guide planaire, grand contraste d'indice n1-n2 >> n

"2+1" D


Objet purement bi-dimensionelsinfiniment étendus dans la troisième dimension

Si microporeux

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