Cristaux photoniques et microcavités : la lumière reformattée ?

1. 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

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

3. 2 2 Mode à E E w 2 w x 0 w a 2 Dn/n Dw/w w 0 w Mode à w 1 1 R k 1 k =π / a 0 x 0 Rôle du contraste d'indice Solution de l'éqn. d'onde en milieu 1D périodique l/2n n 1 n 2 L eff l n l L =             < 2 eff miroir de Bragg (multicouche) 2n Dn si Dn > 0.5 l Echelle ~  <=> Fort contraste d’indice

4. 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,…)

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

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

7. 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

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

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

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

11. 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

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

13. ! 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

14.  1 µm  40° 30° LES BANDES PERMISES - Supercollimateur - Superprisme Contours iso-w diffraction~0

15. 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)

16. 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)

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

18. 2D…3D : voies en cours Silicium macroporeux W. Vos Halle/Toronto IEF

19. 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

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

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

22. u=a u=a l l 0.32 300 nm 0.30 280 0.28 260 0.26 240 0.24 220 0.22 200 0.20 180 nm 0.18 OMNIDIRECTIONNALITE DU GAP G G TE K TE M 15 rangées 15 rangées / (fréquence) / Bande interdite directionnelle Bande interdite OMNIdirectionnelle Bande interdite directionnelle 0.9 0.7 0.5 0.5 0 0 transmission transmission

23. 0.4 k =0 (l) T T // max 0.3 miroir 1 transmission Q -1 0.2 spacer 0.1 2 µm miroir 2 0 980 1000 1020 1040  1 µm  Longueur d ’onde(nm) Q is resol.-limited ! H7 P.L. (a.u.) 0 940 960 980 1000 1020 1040 wavelength (nm) GUIDES ET CAVITES ~ Thèse de S. Olivier (PMC, 1999-2002) Guides droit Interféromètre Fabry-Perot Cavité isolée laser Virage à cavité résonante Guide+virage Cavité +guide

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

25. 3.2 mm  240nm PERTES, GRAVURE ET LEUR MESURE 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%

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

27. 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 2000 2002 2004 1998 Reste à mettre ensemble pour les sources à 1 photon • pompage électrique • Q élevé •"100% integrée"

28. Cristal photonique III-V SiO2 Substrat Si MEMBRANES & lasers Résultats 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 Source GES Source GES

29. MODELISATIONS • 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

30. q =30° 3 4 2 1 a(2+v3) A13 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 Thèse M. Rattier + APL 2003 Diagramme angulaire I(q) Mesure de la PL diffractée

31. 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 ….

32. • Source à b~1 integrée • Source à photons uniques integrée pompage optique ou électrique Perspectives : nouvelles sources à 1 photon  effet Purcell dans les microdisques / micropiliers  Sources à 1 photon dans les micropiliers (Gérard et al.)

33. 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 2π / a k k =π / a 0 grande souplesse des structures 2D lithographiées

34. 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 ?

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

36. 1 0.8 Bar Channel 0.6 0.4 a1= 20 cm-1 a7=400 cm -1 Transmission 0.2 0 1 Cross Channel 0.8 Q=1500 0.6 0.4 0.2 0 1510 1530 1550 1570 1590 l (nm) kb kab DES MONDES PROCHES 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

37. 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 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 IST - project

38. 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

39. 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

40. Blanc

41. 0.32 0.32 300 nm 0.30 0.30 280 0.28 0.28 260 0.26 0.26 0.24 240 0.24 220 0.22 0.22 0.20 200 0.20 180 nm 0.18 0.18 TRANSMISSION ET BANDES G G TE K TE M fréquence normalisée / u=a l / l u=a 15 rangées Dk = Cte . . . BANDE INTERDITE "TE" WDM 2000 2008 0 0.9 0.7 0.5 0.5 0.5 0 0.5 0 0.4 0.3 0.2 0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 transmission transmission vecteur d'onde normalisé

42. Cristaux 3D : exemples LPN (Marcoussis) APL 2000

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

44. ? PERT ES comparaison guide “ridge” / guide à cristaux guide à cristaux 100 guide ridge luminescence intensity (a.u.) 0 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”

45. 2 - 4 % Indice n~3 ~97 % 10% 50% 80% Ampoule W LED  "high-brightness" LED  record Limite probable EXTRACTION DE LA LUMIERE • les LEDs serviront à l'éclairage d'ici 10-20 ans • Solution actuelles : - optique géométrique - LEDs à microcavité miroirs Couche émettrice Émission directionnelle • Lumière piégée (n=3) ~ modes guidés

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

48. modes à dispersion / vg contrôlée w 2 w 1 grande zone dispersive lié au fort Dn 2π / a k k =π / a 0 Effet superprisme Da = 90° pour Dl/l=1-2% ? (St Andrews : 10°/ 5 nm @ 1300 nm)

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