Étude expérimentale de cristaux photoniques bi-dimensionnels

Experimental study of two-dimensional photonic crystals

¹ Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, École Polytechnique, 91128 Palaiseau, France.
² Corning S.A., Centre Européen de Recherche de Fontainebleau, 7 bis avenue de Valvins, 77210 Avon, France.

Résumé

Les matériaux à bande interdite de photons (BIPs) ou cristaux photoniques, sont des structures, généralement artificielles, dont l'indice diélectrique varie périodiquement. Lorsque le contraste d'indice est fort, on prédit théoriquement qu'elles doivent empêcher la propagation de la lumière dans toutes les directions en créant des plages spectrales (les bandes interdites) à densité d'état de photons nulle. Nous avons étudié le comportement optique de cristaux photoniques bidimensionnels gravés dans des hétérostructures semiconductrices guidantes. L'originalité consiste à utiliser la photoluminescence de boîtes ou puits quantiques comme source lumineuse interne. Cette technique a permis d'effectuer une caractérisation complète de ces objets en mesurant quantitativement les coefficients de transmission et de réflexion ainsi que les propriétés de diffraction. Aux zones de faible transmission correspondent de forts coefficients de réflexion ou de diffraction, ce qui indique que l'onde reste guidée lors de l'interaction avec les cristaux et confirme leur fort potentiel pour l'optique intégrée. Nous avons utilisé ces réflecteurs pour réaliser des cavités, d'abord unidimensionnelles, qui montrent une bonne finesse en transmission, confirmant que les pertes hors du plan du guide sont faibles. Nous avons ensuite étudié des cavités tridimensionnelles de faible volume (m³), sondées cette fois-ci à l'aide d'émetteurs internes à la cavité. L'apparition de pics étroits montre que l'effet de confinement est important et laisse présager de réelles potentialités de modification de l'émission spontanée.

Abstract

Photonic bandgap materials (PBGs), the so-called photonic crystals, are structures with a periodic dielectric constant. For strong enough index contrast, it was theoretically predicted that they should prevent light propagation in all directions, because they create spectral regions with zero-density of states. We study the optical properties of two-dimensional photonic crystals etched through waveguiding semiconductor heterostructures. Photoluminescence of quantum wells or quantum dots embedded in the waveguide are used as internal probe source. This technique allows a full characterization of these objects, giving access to quantitative values of the transmission, reflection and diffraction coefficients. Weak transmissions correspond to high reflection or diffraction values, which indicates that light remains guided upon interaction with the crystals, confirming their high potential for integrated optics. These reflectors are next used as cavity mirrors. One-dimensional cavities demonstrate a high finesse through transmission measurements, confirming the low amount of out-of-plane losses. Small volume three-dimensional cavities (m³) are also probed, using the photoluminescence of the emitters placed inside the cavity. Narrow peaks in the photoluminescence spectrum prove the strong confinement and allow to envision applications for spontaneous emission control.