Exaltation de la génération de second harmonique dans les cristaux photoniques à base de nitruresEnhancement of second harmonic generation in GaN photonic crystal slab

Ann. Phys. Fr., Vol. 29, N°5 2004, pp. 1-126
DOI: 10.1051/anphys:2005004

Exaltation de la génération de second harmonique dans les cristaux photoniques à base de nitrures

J. Torres

Groupe d'Étude des Semiconducteurs, CNRS UMR 5650, UM2, place E. Bataillon, 34095 Montpellier, France. Actuellement au Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, UPR 20, route de Nozay, 91460 Marcoussis.

Abstract - Enhancement of second harmonic generation in GaN photonic crystal slab.
This work concerns both the experimental and theoretical study of the enhancement of the second harmonic generation in nitrides-based slab photonic crystals. This increase is the combination of two processes contained under the term of quasi-phase matching conditions: (i) the spatial localisation of the electromagnetic fields and (ii) the realization of a phase matching condition between resonant modes at $\omega$ and 2 $\omega$ . The linear characterisation of the optical properties of these slab photonic crystals will determine the angular and spectral conditions that satisfy the quasi-phase matching. Once these conditions determine, a new numerical method based on the scattering matrix formalism is describe. This method highlights an enhancement by 10⁶ of the second harmonic field intensity. Then these numerical results are compared to the one experimentally obtained where a 10⁴ enhancement is measured. This study clearly highlights the potentiality of slab III-N-based photonic crystal for applications in the blue - UV range.

Résumé
Les cristaux photoniques sont des structures artificielles dont la modulation périodique de l'indice de réfraction permet d'exalter les phénomènes non linéaires. Cet ouvrage concerne l'étude expérimentale et théorique de l'exaltation de la génération du second harmonique dans les cristaux photoniques planaires à base de nitrures. Cet accroissement est la combinaison de deux processus liés à la périodicité de la constante diélectrique : (i) la localisation spatiale des champs électromagnétiques ; (ii) la réalisation d'une condition d'accord de phase entre les modes à $\omega$ et à 2 $\omega$ . Nous verrons que la caractérisation des propriétés optiques des cristaux photoniques planaires est une étape essentielle permettant de déterminer les conditions angulaires et fréquentielles qui satisfont aux conditions de quasi-accord de phase. Une fois ces conditions déterminées, nous décrirons la nouvelle méthode de modélisation basée sur le formalisme de la matrice de diffusion qui a permis de mettre en évidence une exaltation du second harmonique par 10⁶. Ces résultats théoriques seront ensuite comparés aux résultats issus de notre dispositif expérimental où un accroissement géant par 10⁴ de l'intensité du champ du second harmonique a pu être mesuré lorsque les conditions de quasi-accord de phase sont réalisées. Cette étude met en évidence la potentialité des cristaux photoniques pour les applications dans le domaine du bleu - proche UV.