3- Cristal photonique tridimensionnel (CPh 3D)

Un cristal photonique tridimensionnel est un matériau dont l’indice est modulé périodiquement dans les trois directions de l’espace avec une forte amplitude de modulation.

Un CPh (3D) peut présenter une bande interdite photonique complète dans toutes les directions de l’espace, c’est-à-dire qu’il se comporte comme un réflecteur parfait pour toute direction d’incidence. Un nombre conséquent de travaux se sont portés sur les différentes structures géométriques possibles et leur fabrication. Donc il existe un grand nombre de structures possibles (figure I -16) :

Figure I -15 : Cartes des bandes interdites d’un réseau de trous d’air dans une matrice diélectrique

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Les potentialités des cristaux photoniques ont été décrites pour la première fois en 1987, par Eli Yablonovitch et Sajeev John. Eli Yablonovitch a proposé d’étendre le résonateur Fabry-Pérot utilisé pour les lasers semi-conducteurs à trois dimensions. Il a proposé d’utiliser une structure cubique face centré (CFC) pour interdire une bande de fréquence. Cela permettrait de diminuer fortement l’´emission spontanée et donc le seuil du laser. Sajeev John a proposé une structure CFC pour localiser l’onde électromagnétique. Cette structure, en effet, est celle qui se rapproche le plus de la zone de Brillouin sphérique pour laquelle l’ensemble des directions sont équivalentes. Les énergies interdites sont positionnées aux mêmes endroits.

De tels cristaux ont été réalisés dès le début des années 90 [8] dans le domaine des micro-ondes, où la périodicité nécessaire est beaucoup plus grande. Le premier cristal photonique (3D) a été fabriqué par K.M Ho et al [6]. Il était formé de sphères de silicium arrangées sur une structure diamant. En 1992, Sözuer et al [49] améliore la convergence de la méthode des ondes planes et ils obtiennent une bande interdite complète pour la structure CFC à un atome par maille entre la 8^ème et 9^ème bande (figure I -17).

Mais l'histoire retient généralement la célèbre Yablonovite, structure 3D pour les micro-ondes fabriquée en 1993 par E. Yablonovitch [8] en perçant des trous dans du plexiglas selon trois angles azimutaux séparés de 120° (La figure I -18).

Figure I -16: Différentes structures 3D comme la structure cubique (1), le tas de bois (2), la structure

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En 1994 : Deux équipes Sözuer & al et Ho & al [50] ont proposé indépendamment une structure à bande interdite complète simple à réaliser, appelée ‘tas de bois’. Cette structure 3D est obtenue en déposant par couches successives des rubans de silicium poly-cristallin dans des tranchées de silice. Après avoir bâti la structure, la silice est retirée pour obtenir un cristal photonique 3D Si/air dont le contraste d'indice est suffisant pour ouvrir une bande d'énergies interdites omnidirectionnelle [51] (figure I -19).

Des cristaux photoniques similaires ont été fabriqués sur GaAs par Noda et al. [52] à base d’une procédure de fusion/élimination du substrat. Cette technique utilise des technologies standards de micro-fabrication des semi-conducteurs et permet l'insertion déterministe de défauts dans les structures fabriquées.

Figure I-18: La Yablonovite, une des premières structures avec une bande interdite photonique 3D:

La structure 3D de périodicité CFC est obtenue en perçant chaque trou a partir du même masque sous trois angles différents (d'après Yablonovitch et al.)

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Une autre famille de cristaux photoniques tridimensionnels, basée sur l’organisation d’atomes sphériques, a aussi été beaucoup étudiée. Il s’agit des structures en opales et opales inversées [53] (Figure I-20). Les opales sont réalisées chimiquement par auto-organisation des sphères et leur procédé de fabrication est une alternative bon marché, aux structures obtenues par les techniques de micro/nano-lithographie. La première opale a été réalisée par sédimentation de sphères de silice (SiO2) en solution. Les microsphères sont organisées par effet de gravité selon un réseau cubique à faces centrées (CFC) [54].

Les opales ont été étudiées notamment pour contrôler l’émission spontanée, ce qui était une des motivations originelles de l’étude des cristaux photoniques [55]. Le procédé de fabrication d’opales (d’après Joannopoulos et al.) est le suivant : des sphères de silices sont forcées de s’auto-organiser sur un substrat de silicium avec l’avancée du ménisque du solvant qui s’évapore. Pour obtenir une opale inversée de silicium, ce dernier est infiltré entre les sphères de silice qui sont ensuite remplacées par de l’air en utilisant une gravure humide.

La structure la plus intéressante à étudier est l’opale inverse (figure I-20-(c)), car elle présente, contrairement au réseau CFC de sphères, des bandes d'énergies interdites complètes.

La structure inverse est fabriquée à partir d’une structure de haut indice par infiltration de matière entre les sphères. Ces dernières sont ensuite dissoutes chimiquement pour aboutir à la structure finale de sphères d'air dans une matrice de haut indice.

Figure I -19: Structures tas de bois : Images MEB d'une structure fabriquée par lithographie UV

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La technologie d’élaboration des cristaux photoniques tridimensionnels dans le domaine optique est particulièrement complexe et un effort important de recherche est consacré à la mise au point de procédés de fabrication de CPh 3D artificiels. Les seuls exemples de production de masse de telles structures tridimensionnelle se trouvent dans la nature, grâce aux miracles de la morphogénèse naturelle.

Les ailes de papillon en fournissent un exemple brillant : les couleurs chatoyantes qu’elles nous offrent sont produites par l’interaction entre la lumière ambiante et leurs micro-structurations naturelles (figure I -21). Il demeure que les CPhs 3D restent pour l’heure encore des objets de laboratoire et que leur transformation en dispositifs photoniques performants et « manufacturables » n’est pas encore d’actualité. C’est pourquoi l’essentiel des efforts des laboratoires s’est concentré sur les CPhs 2D, plus riches de promesses en matière de débouchés pratiques, du moins sur le moyen terme.

Figure I-20 : (a) Etapes d’un procédé de fabrication d’opales [56]

(b) Image MEB d’une opale [57]

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