Optique quantique des semiconducteurs > Les cavités à cristaux photoniques
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Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques dans lesquelles les ondes optiques aux longueurs d'onde proches de la période de la structure subissent une forte dispersion et parfois leur propagation est interdite sur une certaine plage de fréquences (on parle des bandes interdites photoniques). Cette périodicité peut être uni-, bi- ou tri-dimensionnelle.
Les cristaux photoniques bi-dimensionnels gravés sur des membranes suspendues (voir Fig. 1) sont récemment apparus comme des plateformes de choix pour la manipulation des photons sur puce et pour la réalisation de dispositifs photoniques fonctionnels intégrables. La membrane est formée d'un matériau à fort indice de réfraction (dans nos expérience de l'InP), a une épaisseur de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde et est percée par un arrangement bi-dimensionnel périodique de trous (en général à maille carré ou triangulaire). Cet arrangement de trous forme un cristal photonique bi-dimensionnel : la lumière est confinée dans la membrane par réflexion interne totale et guidage, alors que le confinement horizontal est assuré par le cristal photonique. Ceci permet un contrôle pseudo-3D de la lumière. Grâce à un arrangement judicieux des trous, on peut former des cavités optiques de très faibles
pertes et de très faibles dimensions limitées par la diffraction (confinement ultime autorisé par l'optique propagative).
Deux types de cavités sont étudiés dans l’ équipe "Optique quantique
des semiconducteurs :
Dans un cristal photonique bi-dimensionnel présentant une bande interdite photonique dans le plan, la lumière peut être confinée dans des tous petits volumes en perturbant localement la périodicité du cristal (en d'autres termes, en introduisant un défaut de périodicité). Par exemple, en introduisant un défaut ponctuel (un trou manquant – on parle de cavité H1) ou un défaut étendu (par exemple n trous manquants en ligne – on parle de cavités Ln – voir Fig. 2 gauche et [1]), la lumière peut être confinée localement dans la région des trous manquants, formant ainsi une microcavité optique. Lorsqu'on omet de percer une ligne complète de trous, on forme un guide d'onde qui ne peut propager les photons que dans une seule dimension. 
les cavités à double hétérostructure :
La fréquence de coupure d'un guide d'onde à cristal photonique dépend de la périodicité des trous avoisinants : des périodes plus grandes correspondent à des fréquences de coupure plus basses. Ainsi, en insérant une petit partie d'un guide basse fréquence (grande période) entre deux guides d'onde de plus haute fréquence (plus petite période), un mode optique peut être localisé dans la région basse fréquence du guide. Cette région forme alors une microcavité de très faibles pertes optiques (avec des facteurs de qualité de l'ordre de 104 à 106) et de très faibles volumes (environ la longueur d'onde au cube, le volume ultime permis par la diffraction). Cette juxtaposition de réseaux de trous de périodicité différente, rappelle le principe des hétérostructures semiconductrices. De fait, ces cavités sont appelées cavité à double hétérostructure (voir Fig. 2 droite et [2]).  Figure 2 : Vue de dessus au microscope électronique à balayage d'un cavité L3 ( à gauche) et d'une cavité à double hétérostructure ( à droite), cavités employées au LPN dans nos expériences d'optique quantique. Ces cavités, qui peuvent piéger les photons sur des tous petits volumes et des temps longs, sont des systèmes de choix pour nos études sur les effets d'interaction lumière-matière aux échelles nanométriques, en particulier les sources de photons uniques, les nanolasers et la nano-optomécanique. |
Références :
[1] High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal, |
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