Domaines de recherche actuels
Cristaux photoniques
Les cristaux photoniques sont des structures électromagnétiques dont l’indice de réfraction subit une modulation périodique à l’échelle de la longueur d’onde. Ces structures ont été un moteur qui a engendré de nombreuses recherches en optique depuis leur redécouverte par E. Yablonovitch et S. John au début des années 1980. Les cristaux photoniques ont des applications très intéressantes tant dans les sciences de base, tel que l’inhibition ou l’exaltation de l’émission spontanée, ou bien dans des sciences appliquées comme en nano-photonique ou en optique intégrée essentiellement grâce à leur faculté de contrôler la propagation de la lumière ou son confinement à l’échelle de la longueur d’onde.
Le concept de cristal photonique peut être dérivé dans une très grande variété de structures, de matériaux et de technologies. Nous travaillons essentiellement sur des structures bidimensionnelles gravées dans des guides d’onde planaires en III-V ou en Silicium. Nous nous intéressons principalement à la propagation de la lumière en régime de lumière lente, à des structures cristaux photoniques dites creuses pour lesquelles existe un fort recouvrement entre un champ optique confiné et son environnement et à la réalisation de structures cristaux photoniques dans le domaine des longueurs d’ondes visibles.
Piegeage optique dans des structures cristaux photoniques
Les pinces optiques sont des instruments scientifiques utilisés pour contrôler et déplacer des microparticules. Elles ont été inventées dans les années 1970 et ont inspiré les idées pour le refroidissement et le piégeage optique. Cette technique utilise les forces de rappel engendrées sur une particule de petite taille par un flux lumineux fortement focalisé. Les pinces optiques sont devenues des outils très répandus pour manipuler des particules neutres dont la taille varie de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres mais jusqu’à présent elles sont d’un usage limité pour le piégeage de particules plus petites que 100 nanomètres à cause des très fortes intensités optiques requises à cette échelle. De plus elles deviennent des instruments complexes et encombrants qui n’offrent qu’une faible, voire aucune, sélectivité de la particule piégée en regard de ses formes, dimensions ou indice de réfraction.
Nous avons effectué la première réalisation expérimentale de l’intégration d’une cavité optique creuse qui piège sélectivement des particules sub-micrométriques et ce avec une puissance optique réduite à une valeur sans précédents de moins de 100 microwatts dans des structures à cristaux photoniques. Les pièges optiques sont ensuite intégrés dans un circuit microfluidique. La lumière est délivrée, par l’intermédiaire d’une structure guidante formée d’une ligne manquante de trous, à la cavité dans laquelle les fortes variations spatiales du champ engendrent les forces de piégeage.
La perturbation induite sur le mode résonant de la cavité par la particule piégée engendre un notable décalage de la longueur d’onde de résonance. La dynamique de ces changements de fréquences est liée au mouvement Brownien de la particule dans le piège. L’existence de deux régimes de piégeages a été découverte. Alors qu’un de ces régimes est, dans son principe, comparable au fonctionnement d’une pince optique usuelle, le second a ceci de très particulier que le champ optique engendrant les force de rappel n’est présent que lorsque la particule est déplacée vers l’extérieur du piège et ce champ disparaît lorsque la particule est positionnée au centre du piège.
Parmi les perspectives futures on peut mentionner l’intégration de telles structures à cavités cristaux photoniques creuses dans une plateforme microfluidique pour le tri et le piégeage d’une particule unique maintenue dans une orientation contrôlée à des fins d’analyses ou de spectroscopie, l’étude et la manipulation de microorganismes biologiques tels que de petites bactéries, des organites cellulaires ou des virus. Ces résultats représentent la première étape vers la manipulation de particules uniques de la taille d’un virus dans une puce compatible avec une technologie CMOS et requérant de très faible niveau de puissance optique, ce qui pourrait déboucher sur de nouvelles générations de composants dits de laboratoires sur puce utilisables directement sur les sites de soins.
Imagerie de fourier de structures photoniques
Les techniques usuelles de caractérisation des cristaux photoniques reposent sur la mesure de leur réponse optique ou des propriétés d’émission lumineuse. Bien que cela fournisse déjà une grande quantité d’informations utiles, cela reste une approche où le cristal photonique est une boîte noire. Cela ne permet pas d’étudier directement la propagation de la lumière à l’intérieur même des structures et des grandeurs physiques importantes telles que les courbes de dispersion ou les surface equi-fréquences ne peuvent être déduites que de manière très indirecte par une analyse des résultats. Il est néanmoins possible d’imager directement les modes de Bloch dans les espaces réels et réciproques par des techniques de l’optique classique. Le principe est d’imager avec des objectifs de grande ouverture numérique la lumière diffusée hors plan par le cristal photonique lorsqu’il est en fonctionnement. Si cela permet déjà d’obtenir des images optiques à haute résolution, il est plus intéressant d’imager le plan focal arrière de l’objectif de collection (le plan de Fourier) car cela permet d’imager le champ lointain c’est à dire la décomposition du champ rayonné dans l’espace réciproque. Dans ce plan, grâce aux lois de conservation de la composante parallèle du vecteur d’onde, chaque point correspond de manière bi-univoque à la composante des vecteurs d’ondes constituant l’onde de Bloch. L’image à côté illustre un exemple de la mesure de courbes equi-fréquence bi-dimensionelles mesurées sous le cône de lumière par des techniques d’imagerie de Fourier combinée avec l’utilisation de réseaux sonde.
Cet outil expérimental fournit des informations très intéressantes pour l’étude de la propagation de la lumière dans les cristaux photoniques, des cavités optiques à forts coefficients de qualité ou bien la caractérisation de composants en optique intégrée et de diagnostique d’imperfection de fabrication.
Anciens domaines de recherche
Cristaux photoniques THz
Les lasers à cascade constituent une des technologies prometteuses importantes pour la réalisation de sources compactes de lumière cohérente dans le domaine des térahertz (THz), c’est à dire entre 1 et 10 THZ, soit 30 et 300 µm cristaux. Les nombreuses applications vont de la spectroscopie à l’imagerie médicale en passant par la détection chimique, l’astronomie, la sécurité, des techniques d’évaluation non destructives, les communications et le suivi environnemental. Un des défis majeur est la conception et la réalisation de composants de manière monomode et contrôlée ainsi qu’une température de fonctionnement non cryogénique. La fusion des technologies cristaux photoniques et lasers cascade a un grand potentiel et permet d’étendre les domaines d’opération monomode, de réaliser des lasers accordables, d’améliorer sensiblement la qualité du faisceau émis, sa brillance et de réduire les courants de seuil laser.
Nous travaillons actuellement sur des structures cristaux photoniques constituées de réseaux de piliers insérées dans des structures guidantes à double plasmons pour une émission laser dans le plan ou verticale.