1- Fibres optiques

Les fibres à cristaux photoniques sont déjà rentrées dans le domaine des applications industrielles [1]. Les premières fibres optiques, pour des applications en télécommunications ont été fabriquées en 1996 par le groupe d’Optoélectronique de l’Université de Bath [60], basées sur la réalisation d’un agencement périodique de trous d’air autour d’un cœur de silice.

La fibre à base de cristaux photoniques PCF (Photonic Crystal Fibers), appelée aussi fibres micro-structurées, fibres à trous, fibre à bandes interdites photoniques, a été une révolution de la fibre optique normale basée sur la réalisation d’un arrangement périodique de canaux d’air de dimensions microniques disposés parallèlement à l’axe de propagation et autour d’un cœur de silice (figure I -22). Cette région, au centre de la fibre, permettant le guidage de la lumière, est considérée comme le cœur de la fibre.

Les paramètres qui caractérisent cet arrangement et ajustent les propriétés optiques des fibres, sont la distance entre les centres de deux trous adjacents notée Λ (pas ou pitch) et le diamètre des trous d. Ces paramètres opto-géométriques permettent de définir le rapport d/Λ correspondant à la proportion d’air présente dans la fibre. L’arrangement des trous peut constituer une matrice triangulaire, hexagonale ou aléatoire. Le nombre de rangées ou de

60

couronnes de trous utilisées pour former la gaine microstructure constitue un critère important pour réduire les pertes de guidage.

On peut comparer la structure de la fibre à un cristal photonique 2D de hauteur infinie avec un défaut ponctuel en son centre. À la différence des structures présentées plus haut, la propagation lumineuse ne se fait pas dans le plan du cristal, mais parallèlement à l’axe des structures. La lumière est confinée au cœur de la fibre par l’action d’une structure périodique (hexagonal ou en nids d’abeille) entourant un défaut.

Le principe de fonctionnement de ces fibres peut être séparé en deux types :

 la lumière est guidée par réfraction interne, de la même manière que les fibres optiques traditionnelles [62]. Le cœur de la fibre est constitué d’un matériau de haut indice, entouré d’un matériau effectif d’indice plus faible, qui est un matériau troué périodiquement par des cylindres d’air. Une propriété intéressante de ce type de fibre est la possibilité d’obtenir un guidage monomode sur un vaste domaine de longueur d’onde.

 la lumière est guidée dans les fibres à cristal photoniques grâce à l’existence d’une BIP et la création d’un mode de défaut au sein de cette bande [63]. La structure périodique de trous percés autour du cœur permet d’agir à la manière d’un miroir de Bragg et d’y renvoyer la lumière. L’avantage de ce type de fibre est de pouvoir guider la lumière dans un cœur de bas indice, tel que l’air ou le vide. Par contre, cette fibre utilisant l’effet de BIP ne permet qu’une bande spectrale limitée.

(a) (b)

Figure 1 -22 : Fibres optiques, (a) : section d'une fibre microstructure et

61

IV-2- Cavités résonantes

Les premières études sur des micro-résonateurs furent réalisées avec des structures unidimensionnelles passives en optique guidée en 1996 par Krauss et al [64] et en 1997 par Foresi et al [65] avec des cristaux photoniques 1D et en 1997 par Labilly et al [66] avec des structures à bande interdite bidimensionnelles.

Si un défaut unique est introduit dans une structure périodique, à l’origine supposée parfaite, un mode (ou un groupe de modes) peut être obtenu à une certaine fréquence (ou à plusieurs fréquences spécifiques) dans la BIP. Le défaut se comporte comme une cavité entourée de miroirs, puisque les ondes à cette fréquence ne peuvent pas se propager dans le cristal photonique parfait. Les cavités dans les cristaux photoniques, qui ont habituellement de très hauts facteurs de qualité, ont l’avantage d’être très compactes et ne peuvent supporter que peu de modes.

En fait, le problème physique est décrit par une cavité ; seuls certains modes y sont donc autorisés. Les fréquences de ces modes dépendent du défaut, mais en faisant varier le rayon du défaut, on peut atteindre n’importe quelle fréquence située dans la bande interdite [67].

L’intérêt de ces cavités est de réaliser des sources de lumière certes peu directives, mais très localisées et intenses; il est possible d’utiliser l’effet laser si leur facteur de qualité est suffisamment élevé.

Une des principales limites à ce facteur de qualité est qu’actuellement ces cavités sont réalisées dans des cristaux photoniques bidimensionnels. Il faut alors réaliser le confinement des modes en question dans la troisième dimension. De bons résultats ont été obtenus en utilisant la réflexion totale dans une membrane suspendue du semi-conducteur III–V, avec

62

obtention de l’effet laser [68], mais également en plaçant le cristal photonique entre l’air et une couche d’indice plus faible [69].

Dans les cristaux photoniques à deux dimensions, les défauts ponctuels sont usuellement appelés ‘cavités Hi (H pour hexagone et i c’est la largeur exprimée en nombre de rangées manquantes sur un côté de l’hexagone de trous). La figure I -23 regroupe quelques exemples de cavités Hi sur des CPhs 2D [70]. Cependant, il est à noter que d’autres types de cavités, que celles hexagonales, existent. Nous pouvons d’ailleurs citer entre autres les cavités types Li, avec L pour ligne, cas dans lequel i trous sont omis sur une même rangée.