1 GdR "ondes" 2003 Cristaux photoniques et microcavités : la lumière reformattée ? H. Benisty*,...
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1GdR "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 d’indice, microcavité • Cristaux photoniques : principe • Cristaux 3D : Un “graal” rebelle
• Cristaux 2D & Applications
=> sources
• Conclusion=> Voies exploratoires
=> Optique intégrée
2GdR "ondes" 2003
Au commencement...
150 nm
=1 m
/2n = interfrange
n ~ 3
Émetteurs/absorbeurs
Interaction lumière-matière
Contraste de l'indice réel
miroir
onde stationnaire
3GdR "ondes" 2003
Mode à 1
0 x
Mode à 2
a
x0
E 2
2
1
0
k0=π / ak
R
1
n/nE
2
Rôle du contraste d'indice
n
n21n
Echelle ~ <=> Fort contraste d’indice
miroir de Bragg (multicouche) Leff = < 22n n
n
si n > 0.5
Leff
Solution de l'éqn. d'onde en milieu 1D périodique
4GdR "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
5GdR "ondes" 2003
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
• Solution actuelles : - optique géométrique - LEDs à microcavité
record = 29%(à 920 nm, M. Rattier et al.)
Indice n~3
= 2 - 4 %
~97 %
Émission directionnelle
Couche émettrice
miroirs 10 …100%
6GdR "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
7GdR "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 : LEOMSource : J.Knight
8GdR "ondes" 2003
Systèmes périodiques & nHolographie/photoréfractifs fibre à réseau de Bragg
n2
n1
n1
Miroir laser DFB ou DBR
faible
qqs103
• 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
LeffMiniaturisation => fort nTolérance => 1-3 nm ?? Miniaturisation => fort nTolérance => 1-3 nm ??
Donc
9GdR "ondes" 2003
LES BANDES INTERDITES à 2D
Omnidirectionnalitécas 2D
Réseau triangle
=> Moins de contraste suffit à créer des Bandes
Interdites
Espace réciproque
structure Directionsinterdites
1D
2D
… 3D ...
kx
kz
cas 1D
n/n
21
10GdR "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 DFaisable (Si macroporeux)(lithographie + gravure ...)
11GdR "ondes" 2003
CONTRÔLE DE L'EMISSION SPONTANEE
Interaction lumière-matière DOS de photons
(des photons)
Dielectricband
Air band
3D
2D
1D
DOS
DOS=density-of-states
12GdR "ondes" 2003
LES DEFAUTS
DOS (photons)
Dielectricband
Air band
1D defect
Localised defects
~ Effet Purcell
13GdR "ondes" 2003
CONTRÔLE DE SIGNAUX OPTIQUES
!
Virages ultra-compacts (Mekis et al. PRL, 1996)
Colonnes d'air
u = 0.25076
-Microcavités à très haut Q-Filtres Add Drop (Fan et al. PRL, 1997)
14GdR "ondes" 2003
40°30°
LES BANDES PERMISES
- Superprisme
vg = k
diffraction~0
Contours iso-
- Supercollimateur
1 µm
)(sin)(sin 22 ykxk yx
15GdR "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
16GdR "ondes" 2003
Opale inverse
300 nm
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.
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
17GdR "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 ...
18GdR "ondes" 2003
2D…3D : voies en cours
W. VosSilicium macroporeux
IEF Halle/Toronto
19GdR "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
20GdR "ondes" 2003
SUBSTRAT vs. MEMBRANES
Approche "membrane"
Approche “substrat”
+ Gravure peu profonde+ "ligne de lumière" Interfaçage
+ Interfaçage, actif/passif ,… "ligne de lumière" Gravure profonde
21GdR "ondes" 2003
PROPRIETES DE BASE : SONDE PAR SOURCE INTERNE
small range
various periods a => variable a /
Z
X
Bord clivé
excitation laser
d
Tcristalref.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
TE
tr
ansm
issi
on
al
on
g
K
u=a /
TE K
300nm280
nm
260nm
Sept spectres recollés montrentun gap à bord raides
I2()( )I1
PL frontale
a=260nma=280nm
“lateral” PL
1100
Boitesd ’InAs
ou QWs
PL
sig
na
l (a
.u.)
900 1000 (nm)
QDs
0.2 0.24 0.28 0.32
200nm
240nm
180nm
220nm
Bord debanderaide
bande interditephotonique
22GdR "ondes" 2003
OMNIDIRECTIONNALITE DU GAP
0.7 0
180 nm
200
220
240
260
280
300 nm
0.5
TE K
/u=a
0.18
0.32
0.20
0.24
0.22
0.26
0.28
0.30
0.9transmission
0 0.5
TE M
u=a
transmission
15 rangées/
Bande interdite
directionnelle Bande interditedirectionnelle
Bande interditeOMNIdirectionnelle
(fréquence)15 rangées
23GdR "ondes" 2003
GUIDES ET CAVITES
Longueur d ’onde(nm)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
980 1000 1020 1040
tra
nsm
issi
on
Q -1
Tmax
2 µm spacer
k// =0 T
miroir 1
miroir 2
InterféromètreFabry-Perot
940 960 980 1000 1020 1040wavelength (nm)
P.L
. (a
.u.) H7
0
Q is resol.-limited !Cavité isolée
Guide+virageVirage à cavitérésonanteCavité +guide
Guides droit
1 µm
~ Thèse de S. Olivier (PMC, 1999-2002)
laser
24GdR "ondes" 2003
OPTIQUE INTEGREE (LPN)
Laboratoire de Photonique et de Nanostructures
A. Talneau et al.
gravure CAIBE à KTH
25GdR "ondes" 2003
PERTES, GRAVURE ET LEUR MESURE
prof. # 3µm ~verticalf=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
band
e in
terd
ite
26GdR "ondes" 2003
GUIDE A CAVITE COUPLEES (CROW)
0.2 0.30.22 0.24 0.26 0.28
Mini-bandes de transmission du guide à cavités couplées centrées sur les fréquences des
modes de la cavité isolée
0.2 0.30.22 0.24 0.26 0.28
Tra
nsm
issi
on (
u.a.
)
u=a
fréquence normalisée=> systèmes à vg réduite
27GdR "ondes" 2003
MEMBRANESLa montée des facteurs (de qualité)
100,000
10,000
1,000
100
1998 2000 2002 2004
Q/(taille linéique du défaut) (~Q/V)
Cal'techNoda "(L4)"
Reste à mettre ensemble pour les sources à 1 photon • pompage électrique• Q élevé•"100% integrée"
28GdR "ondes" 2003
MEMBRANES & lasersRésultats 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
SiO2
Substrat Si
Source GES
Source GES
29GdR "ondes" 2003
MODELISATIONS• FDTD
FORTHM.Agio
Beaucoup reste à faire- pertes hors du plan- méthodes modales- problème inverse !!
1 seul mode
N modes
Source : GES
Source : LEOM
• FDTDavec pertes
30GdR "ondes" 2003
EXTRACTION OMNIDIRECTIONNELLE
=> extraction à la périphérie de l'aire active en quelques microns
? Extraction omnidirectionnelle ?
a(2+v3)
A13
100µm
Pavage d ’ArchimèdePavage d ’Archimède
1
2
3 4
=30°
Mesure de la PL diffractéeDiagramme angulaire I()
Réseau de tranchées
Lumière guidée piégée ...
Thèse M. Rattier+ APL 2003
31GdR "ondes" 2003
fibres et lasers à cristal photonique
• "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 ….
• Fibres à cristal photonique ! a >>
ktransverse<< klongitudinal
=> Contrôle TRANSVERSE de la lumière
=> mise en œuvre dans les VCSELs
Trous d'air
32GdR "ondes" 2003
Perspectives : nouvelles sources à 1 photon
effet Purcell dans les microdisques / micropiliers
Sources à 1 photon dans les micropiliers(Gérard et al.)
pompageoptique ou électrique
• Source à integrée
• Source à photons uniques integrée
33GdR "ondes" 2003
perspectives : Nonlinéarités
1
2
k0=π / a k2π / 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'harmoniquedans un cristal 1D
grande souplesse des structures 2D lithographiées
grande souplesse des structures 2D lithographiées
1
2
34GdR "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
35GdR "ondes" 2003
Directions d'exploration
Capteurs / MOEMS
Modification de l'émissivité
Structures métallo-diélectrique
appliqué
fondamental
36GdR "ondes" 2003
DES MONDES PROCHES
Filtre Add-Drop à Interaction distribuée
0
0.2
0.4
0.6
0.81
00.2
0.4
0.6
0.81
1510 1530 1550 1570 1590 (nm)
Bar Channel
Cross Channel
Tra
nsm
issi
on
Q=1500
1= 20 cm-1
7=400 cm -1
abb
L=26aprincipe
Opt. Letters, 15 nov 2003S. Olivier et al. Institut Fresnel
"Filtre WDM intégral"(la quintessence des anomalies de Wood)Thèse de AL Fehrembach
37GdR "ondes" 2003
Ceux sans qui ...
C. Weisbuch, D. Labilloy, M. Rattier, S. Olivier, E. SchwoobLaboratoire 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) 2001-2003
IST - project
2000-2003
1995-2001
CRIPOINT(RMNT)
•LEOM •GES •IEMN •LPN •PMC
38GdR "ondes" 2003
Conclusions
• Cristaux photoniques comme nouvelle boîte à outils
• des "formats de lumière" mieux repertoriés
microcavités 0Dguidage par BIP/réfractif (1D)cavités planaires (2D)
• des germes de nouveauté et d'innovationdans une multitude de domaines
39GdR "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
40GdR "ondes" 2003
Blanc
41GdR "ondes" 2003
TRANSMISSION ET BANDES
0.7 0 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
transmission
TE K TE M
vecteur d'onde normalisé
u=a/
0 0.40.30.20.1
k = Cte. . .
180 nm
200
220
240
260
280
300 nm
15 rangées
0.5 0.9transmission
0 0.50.5
u=a/
0.32
0.20
0.24
0.22
0.26
0.28
0.30
0.180.18
0.32
0.20
0.24
0.22
0.26
0.28
0.30
WDM2000
2008
fréquence normalisée
BANDE INTERDITE "TE"
42GdR "ondes" 2003
Cristaux 3D : exemples
“inverse opals”
“opals” ...“Yablonovite” ...
LPN (Marcoussis)APL 2000
43GdR "ondes" 2003
MODES A TAUX DE FUITE CONTROLE
z
Mod
e gu
idé
Mod
e ra
yonn
ant
k=nclad/c
z-evanescent
kin-plane
nclad/c
kin-plane
Uniform guide
•condition to AVOID coupling toradiation modes :
kin-plane> nclad/c
"Mode under the light cone (light line)"
G
Mod
e à
fuite
G
•compte ppale : grand kx
• compte secondaire: petit kx
Guide perforé
Plusieurs composantes dek
44GdR "ondes" 2003
Les fluctuations mènent à des pertes plus faibles dans le guide à cristal photonique que dans le guide “ridge”
PERT ES
900 1000 1100
0
100
wavelength (nm)
lum
ine
sce
nce
inte
nsi
ty (
a.u
.)
minigap
comparaison guide “ridge” / guide à cristaux guide à cristaux
guide ridge
?
45GdR "ondes" 2003
EXTRACTION DE LA LUMIERE
• les LEDs serviront à l'éclairage d'ici 10-20 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~3
2 - 4 %
~97 %
Émission directionnelle
Couche émettrice
miroirs
46GdR "ondes" 2003
47GdR "ondes" 2003
Dépôt de titane et de Résine
Lithographie électronique
Gravure du titane
Gravure profonde
Dépôt de polymère(bicouche)
Lithographieélectronique
Dépôt du titane par pulvérisation
Lift off
Gravure profonde
A)
B)
48GdR "ondes" 2003
modes à dispersion / vg contrôlée
1
2
k0=π / a k2π / a
grande zone dispersive lié au fort n
Effet superprisme = 90° pour =1-2% ?(St Andrews : 10°/ 5 nm @ 1300 nm)
49GdR "ondes" 2003
Tas de bois
Équipe du Prof. Noda (Kyoto)
50GdR "ondes" 2003
51GdR "ondes" 2003
52GdR "ondes" 2003
53GdR "ondes" 2003
CIRCUITS INTEGRES PHOTONIQUES
Switch 2 x 2 (ECIO’99, Univ. de Delft)
12 x 4 mm
MMI
Mach-Zehnder Interferometer
r = 500 µm
sur InP
Switch 4 x 4 (ECIO’99, 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 tswitch ~200 µs
54GdR "ondes" 2003
Biophotonique ?
Verre
- émetteurs fluorescents intégrés ?
55GdR "ondes" 2003
56GdR "ondes" 2003