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