La lumière dompte la matière
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Institut des Nanotechnologies de Lyon Y a-t-il une vie en dehors de la microélectronique pour les semiconducteur? • Microélectronique c’est le silicium – Maturité technologique • Matériau (qualité,pureté,possibilité de dopage,300K) • Lithographie (résolution nanomètrique) • Procédés éprouvés (gravure,dépôts,passivation…) • Et surtout un dispositif le transistor MOS La photonique microscopie éclairage imagerie fibre optique solaire laser La miniaturisation miroir de télescope qq m lentille cm fibre optique 10µm nm La nature de la lumière Newton Corpuscule Huygens Fresnel onde Maxwell Einstein photon Comment dompter la lumière ? • Optique géométrique – Miroir – Lentilles • Indice n :v=c/n – Prisme • n=n(l) Le miroir Réfraction q1 air n1=1 liquide n2=1.3 q2=q1 n1/n2 pour de petits angles q2 lentilles Illustrations spectroscope microscope télescope La réflexion totale air n=1 liquide n=1.3 Guide optique: guide réfractif n1 n2 n2<n1 Guirlande pour déco Taille millimétrique Dispersion • Indice dépend de la couleur – nbleu>nvert>nrouge air n=1 eau n=1.3 • Effet prisme Réduire la taille • Pourquoi ? – Réduire les coût du circuit (cf. microélectronique) – Réduire le coût du packaging (fonctions complexe=plusieurs circuits optiques à aligner) – Circuit complexe • limitation? – Nature ondulatoire de la lumière Optique ondulatoire Huygens Fresnel Maxwell diffraction lumière l La lumière est une onde électromagnétique : E= E0 sin (w t+K x) w=2pf est la pulsation K le vecteur d’onde avec K=2p/l dans le vide bleu≈0.4µm, vert≈0.5µm, rouge≈0.6µm Photonique « classique » : la fibre optique coeur La photonique a été faite autour de la fibre optique (telecom) ~10 µm Exemple de circuit AWG l1 l2 l3 l4 qq mm Réduire la taille • Pourquoi ? – Réduire les coût du circuit (cf. microélectronique) – Réduire le coût du packaging (fonctions complexe=plusieurs circuits optiques à aligner) – Circuit complexe • Comment ? – Plus fort contraste d’indice – Nouveaux principes : par ex. cristaux photonique La limitation : le guide n1 n2 n1 >n2 Guide sur verre n1~ 1.5 et Dn ~ 10-2 Largeur de l’ordre de 10µm Rayon de courbure min de l’ordre de 100µm 1ère approche augmenter Dn Intérêts des SC pour la photonique • Indice optique élevé (n>3) • Conversion électron-photon – – – – Diodes électroluminescentes Lasers Photodétecteurs Cellules solaires • Panoplie de matériaux vaste – IV-IV: Si, Ge et leurs alliages – III-V: GaAs, InP,InAs et leurs alliages • Applications – Telecom – Interconnexions optiques – Capteurs chimiques et biologiques Structure à fort contraste d’indice: un exemple le SOI Si n=3.5 SiO2 n=1.5 Si n=3.5 Université Cornell Des photons et des électrons E Gap indirect (Si,SiGe,SiC…) Gap direct (GaAs,InP…) K Laser • Laser à semiconducteur – Longueur de qq centaines de µm • Comment réduire les dimensions ? miroir qq centaines de microns Milieu actif miroir Laser classique – Augmenter la réflectivité des miroirs – Nouveaux types de cavités Le miroir de Bragg l/4n1 l/4n2 l/4n1 l/4n2 l/4n1 Réponse spectrale l Bragg Coefficient de réflexion 1 Bande interdite (BI) BI ≈ arcsin((n1-n2)/(n1+n2)) 0 Longueur d’onde Le premier microlaser: le laser à cavité verticale miroir de Bragg la fraction de micron Milieu actif miroir de Bragg Laser a cavité verticale Les micropiliers Diminuer encore la taille: le microdisque Réflection totale n=3 Mode de Gallerie à fort Q et diamètre du disque de l’ordre du micron n=1 2µm Disque GaAs Couche active: Boites quantiques InAs Et au-delà: les cristaux photoniques Des ailes de papillons pour apprivoiser la lumière Les ailes de papillons Les Objectifs • Miroir parfait sans perte – R=1 qq soit l’angle et la polarisation • Pourquoi faire – Mettre la lumière en cage – Réalisation de nanocavités, nanoguides • Comment – Avec des ailes de papillons Retour sur le miroir de Bragg q=35° q=45° Coefficient de réflexion q=0° Longueur d’onde Rappels l La lumière est une onde électromagnétique : E= E0 sin (w t+K x) w est la pulsation K le vecteur d’onde avec K=2p/l dans le vide bleu≈0.4µm, vert≈0.5µm, rouge≈0.6µm Relation de dispersion w Vg = =c K w Vg est la vitesse de propagation de l’énergie K Approche cristal photonique a x y Deux symétries: translation continu suivant x (Opérateur Tx) et translation discrète suivant y avec une periode a (Opérateur Ty,a) Le théorème de Bloch nous dit que les modes sont de la forme : iKx x iKy x E ( x, y ) = e e u Ky ( y ) avec u Ky ( y a) = u Ky ( y ) Rq: Ky et Ky+n 2p/a correspondent au même mode w(Ky) = w(Ky+n 2p/a ) on se limite donc en Ky à la zone [-p/a, p/a] C’est la première zone de Brillouin Autre point important on a w(-Ky) =w(Ky) (invariance par inversion du temps) Visualisation Allure d’un courbe de dispersion w Bande interdite Bande interdite -3p/a Ici Kx=0 -p/a 0 Ky p/a Zone de Brillouin irréductible 3p/a Influence de Kx (l’angle d’incidence) Vitesse de groupe w Vg=0 0 p/a Ky Vg Vitesse de groupe On peut avoir Vg=0 !!!! On peut ralentir les photons A quoi ça sert? BI w Applications • • • • Laser Effet non linéaire Effet superprisme Ligne à retard optique • Oui mais – 1D – Bande interdite partielle • Comment faire apparaître une bande interdite totale? • Structure à 2 et 3dimension ? Cristal photonique 2D Le plus simple « percer » des trous ou faire des colonnes périodiques Quelques considérations simples a 2 a 2 a Bande interdite totale Miroir omnidirectionnel diagonale Coefficient de réflexion coté du carré Longueur d’onde Les meilleures structures ? tiges trous Réseaux hexagonal de trou Brillouin zone and KPath 8 6 M 4 K kz 2 0 -2 -4 -6 -8 er matériau =8.9 Periode =a Rayon-trou=0.48*a -6 -4 -2 0 kx 2 4 6 Relation de dispersion: une bande interdite complète Frequency (wa/2pc=a/l) TE/TM Band Structure 0.8 TM 0.7 TE 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 K M Structure de bande photonique libre w = cK = c 2 E= k 2m 2 électron photon Polarisation TE Frequence reduite (wa/2pc=a/l) 0.6 0.5 0.4 Bande interdite 0.3 0.2 0.1 0.0 X M Kx 2 Ky 2 Guidage Guide droit Virage à 90° NanoLaser Le plus petit laser du monde!!! ≈0.3µm Mille fois plus petit qu’un cheveu Caltech Quelques simulations maintenant On ne vit pas dans un mode 2D On utilise le SOI comme plateforme « quasi 2D » Etudes à NANOPTEC 4.0µm topographie Collaboration INL (INSA LYON)- IMEC Comment les étudier? Microscope à champ proche optique Les belles images Guide à cristal photonique Diviseur à cristal photonique
