cristaux photoniques, po-014 ecole doctorale photonique ... · photonic crystals : towards...
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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
Deux langages pour un même objet
Onde électromagnétique dans un milieu diélectrique structuré, sans pertes
Physicien
Deux langages pour un même objet
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
Deux langages pour un même objet
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)
Deux langages pour un même objet
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)
Zoologie des cristaux photoniques, 3D
Micro-fabrication
"Tas de bois"
Zoologie des cristaux photoniques, 3D
Auto-organisé
empilements sphères de silice, latex
structures inversée par infiltration et gravure sélective
Opales
Zoologie des cristaux photoniques, 3D
Holographie
Zoologie des cristaux photoniques, 3D
Silicium microporeux (anodisation)
Zoologie des cristaux photoniques, 2D
Structuration bi-dimensionelle + guide d'onde plan
Zoologie des cristaux photoniques, 2D
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
Zoologie des cristaux photoniques, 2D
Structuration bi-dimensionelle (x,y) + guide d'onde plan
Zoologie des cristaux photoniques, 2D
membraneair/SiGaAs /airInP/air
air/Si/SiO2
air/InP/BCB
Guide planaire, grand contraste d'indice n1-n2 >> n
"2+1" D
Zoologie des cristaux photoniques, 2D
Objet purement bi-dimensionelsinfiniment étendus dans la troisième dimension
Si microporeux