Spectre en transmission

En utilisant un montage expérimental similaire à celui décrit en …gure 2.14-a, il est possible d’obtenir un spectre de transmission d’un composant à cristal photonique intégré sur guide d’onde.

Chapitre 2. Les cristaux photoniques

Fig. 2.14: Etude en transmission d’un cristal photonique 1D sur membrane reportée. Une lumière blanche est injectée en entrée des guides d’onde (a). Une comparaison entre les résultats expérimentaux et théoriques est conduite (b). Au diagramme de bande de la cavité, calculé par la méthode des ondes planes en polarisation TE (à gauche) est associé un spectre de transmission calculé par la FDTD 2D (à droite). Le spectre obtenu expérimentalement est visible au milieu. [Cluzel 05]

L’idée est d’éclairer l’échantillon et de collecter la lumière transmise. Un monochromateur permet d’obtenir un spectre de transmission [Zelsmann et al.02]. Un exemple est présenté sur la …gure 2.14-b.

L’échantillon consiste en une microcavité insérée dans un cristal photonique unidimen-sionel formé en gravant des tranchées d’air dans un guide ruban. La cavité est formée par deux miroirs de Bragg séparés d’une distance …xée correspondant à la longueur de la cavité (voir l’insert de la …gure 2.14).

Le diagramme de bande (à gauche sur la …gure 2.14) prévoit l’apparition d’une bande interdite photonique entre 1,4 et 1,9 m. Après avoir injecté une source blanche en entrée du guide ruban, un spectre expérimental de transmission (au milieu de la …gure 2.14) est obtenu en recueillant la lumière transmise à travers la structure et en l’analysant par un monochromateur. On peut observer que la transmission entre 1,4 m et la limite de détection expérimentale (imposée par le détecteur germanium, située vers 1,7 m) est très faible : c’est la bande interdite photonique.

Au centre de cette bande interdite photonique, un pic isolé correspond au mode de défaut. Le spectre calculé (à droite sur la …gure 2.14) présente un bon accord avec le spectre expé-rimental. La principale di¤érence est la transmission pour la longueur d’onde du mode de défaut ; cette di¤érence s’explique par les pertes non prises en compte dans le calcul FDTD bi-dimensionnel qui est fait.

2.5. Conclusion

Un spectre de transmission permet de situer les bandes interdites et les modes de défaut, donc de remonter indirectement au diagramme de bande d’une structure.

2.5 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons dé…ni les cristaux photoniques et quelques unes de leurs propriétés.

Nous nous sommes particulièrement intéressés à une des méthodes de simulation numé-rique des champs électromagnétiques dans le cristal photonique, à savoir la méthode des ondes planes. Même si l’intérêt principal de cette méthode est de pouvoir calculer les modes propres et valeurs propres a…n de tracer les diagrammes de bande et les courbes de dis-persion, cette méthode permet aussi de décomposer dans des bases adaptées à tout cristal photonique les distributions de champ au sein de ces mêmes structures.

Nous avons pu voir que, même si une des propriétés la plus exploitée des cristaux photo-niques est la bande interdite photonique, il en existe beaucoup d’autres basées sur le contrôle de la dispersion, telle que l’e¤et superprisme, l’ultraréfraction et la réfraction négative.

La présentation des cristaux photoniques qui a été faite ne s’est pas limitée uniquement aux cas de cristaux photoniques parfaits, mais une présentation des cristaux photoniques à défaut, de leurs propriétés, de leurs applications et des méthodes de caractérisation a été conduite.

Dans ce chapitre, les méthodes de caractérisation présentées ont été volontairement li-mitées à des méthodes en champ lointain. Ces méthodes de caractérisation ne permettent que d’avoir des informations globales sur les composants à cristal photonique ; il est très dif-…cile d’avoir accès à des informations sur les mécanismes physiques mis en jeu, notamment sur la distribution des champs électromagnétiques. Un moyen expérimental possible pour la connaître est le champ proche optique.

Nous allons donc voir, dans le prochain chapitre, les di¤érents apports de la microscopie en champ proche optique à la compréhension de la physique des cristaux photoniques.

Chapitre 3

Les cristaux photoniques en

3.1. Visualisation de la distribution du champ électromagnétique

Depuis quelques années, l’étude des cristaux photoniques en microscopie de champ proche optique n’a pas cessé de se développer. Cette expansion est principalement liée à la possibilité de cartographier en champ proche optique dans l’espace direct la distribution des champs électromagnétiques au voisinage proche d’un composant à cristal photonique. En e¤et, les méthodes de caractérisation, que nous avons présentées au chapitre précédent, se limitent à une étude dans l’espace réciproque (détermination d’un diagramme de bande ou de la position des modes de défaut) et ne permettent pas d’étudier entièrement la physique des cristaux photoniques.

Les premiers travaux expérimentaux réalisés en champ proche optique l’ont été sur des cristaux photoniques fonctionnant dans le visible [Phillipset al. 99], [Mulin et al. 00]. Dès 2002, des cristaux photoniques fonctionnant dans le proche infra-rouge ont été étudiés [Bozhevolnyi et al. 02], [Gérardet al. 02]. Tout au long de ce travail de thèse, des publica-tions concernant l’étude des cristaux photoniques en champ proche optique n’ont cessé de paraître.

Dans ce chapitre, nous présentons donc certains de ces travaux se trouvant en rapport direct avec le sujet de cette thèse, tout en essayant de mettre en avant les di¢ cultés expéri-mentales pouvant être rencontrées.

Nous commencons par présenter des travaux expérimentaux permettant de connaître la distribution des champs électromagnétiques au sein de cristaux photoniques bi-dimensionels. Ensuite nous nous intéressons à divers phénomènes de couplages rencontrés en microscopie de champ proche optique en mode collection, en se focalisant, d’une part sur le couplage entre di¤érents modes et d’autre part sur le couplage des modes dans la sonde locale.

3.1 Visualisation de la distribution du champ

électro-magnétique

Dans le cas d’un microscope à sonde avec ouverture, la distribution du champ électroma-gnétique, et plus particulièrement celle de l’intensité du champ électrique, peut être obtenue dans l’espace direct en imageant le signal recueilli en champ proche optique en fonction de la position de la sonde. Nous commencons par présenter une des premières expériences per-mettant la visualisation de l’e¤et d’une bande interdite photonique. Nous montrons, ensuite, qu’il est possible d’utiliser la sonde du microscope comme un détecteur local pour e¤ectuer des mesures spectroscopiques.