Cristaux photoniques

Cristal photonique

Les cristaux photoniques sont des structures périodiques de matériaux diélectriques ou métalliques conçues pour modifier la propagation des ondes électromagnétiques de la même manière qu'un potentiel périodique dans un cristal semi-conducteur affecte le déplacement des électrons en créant des bandes d'énergie autorisées et interdites. L'absence de modes propagatifs des ondes électromagnétiques (EM) dans de telles structures, dans une plage de fréquences ou de longueurs d'onde, est alors qualifiée de bande interdite (band gap en anglais).

Forme simple

La forme la plus simple de cristal photonique est une structure périodique à une dimension composée d'un empilement multicouche également appelé « miroir de Bragg ». C'est Lord Rayleigh en 1887 qui a le premier montré que l'on pouvait ainsi produire un gap ou bande interdite. La possibilité de produire des structures à deux ou trois dimensions qui posséderaient des bandes interdites a été initiée par Eli Yablonovitch et Sajeev John en 1987.

Dans la nature

Bracelet monté d'une opale, cristal photonique naturel

L'opale est une roche constituée de micro-billes de silice réparties selon un arrangement plus ou moins régulier. De fait, c'est un cristal photonique naturel, même si celui-ci n'a pas de bande interdite complète (i.e. la bande interdite ne s'étend pas selon toutes les directions cristallographiques principales du matériau). Le phénomène physique sous-jacent étant la diffraction de la lumière par la microstructure, la périodicité du cristal doit être de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde de la lumière incidente pour générer des interférences, soit entre 200 et 400 nm pour fonctionner dans le visible. De même le ver marin Aphrodita possède des épines qui constituent des cristaux photoniques plus efficaces que ceux fabriqués par l'homme.

Optique et nanotechnologies

Ces structures sont actuellement la source de nombreuses expériences en optique dont par exemple :

• inhibition de l'émission spontanée,
• miroirs omnidirectionnels à haute réflectivité ainsi
• guides d'ondes à faibles pertes ...

Les cristaux photoniques permettent déjà le contrôle et la manipulation de la lumière en vue d'applications de type télécom.
Les cristaux à deux dimensions ont en effet atteint le niveau de maturité nécessaire pour le développement d'applications.
La fabrication industrielle de cristaux photoniques à trois dimensions est encore au stade de la recherche, mais des cristaux phononiques 3D existent déjà,, qu'on sait photographier en microscopie électronique ^[1],[2] ou observer par les moyens de la cristallographie..

En micro-ondes ces cristaux photoniques sont parfois appelés matériaux à bande éléctromagnétique interdite.
Ils sont souvent réalisés à l'aide d'assemblages périodiques métalliques ou métallo-diélectriques et permettent la réalisation de filtres, d'antennes et de différents composants utilisés en télécommunications.

Diagramme de dispersion

Comme en physique du solide, le cristal photonique est caractérisé par son diagramme de dispersion.
Le théorème de Bloch-Floquet permet de déterminer l'existence de modes éléctromagnétiques que peut supporter le cristal.
Pour une direction de propagation donnée, généralement donné par un vecteur d'onde, on reporte l'ensemble des fréquence propre que le système peut supporter. Ce diagramme est appelé diagramme de dispersion. Il représente les modes possibles en fonction de la longueur d'onde et du vecteur d'onde.

Voir aussi

Articles connexes

• Cristallographie
• Photonique
• Nanotechnologie
• Métamatériaux

Liens externes

• CNRS
• Yablonovitch, Eli, « Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics ». Bell Communications Research, Navesink Research Center, Red Bank, New Jersey.
• John, Sajeev, « Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices ». Department of Physics, Jadwin Hall, Princeton University, Princeton, New Jersey.
• Ver marin Aphrodita

Notes et références

1. ↑ Exemple d'image de structure 3D
2. ↑ Brève de l'ADIT, avec illustration d'une nanostructure fonctionnelle produite par le KIT (Institut technologique de Karlsruhe) en Allemagne

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