Cristal photonique - Photonic crystal
Un cristal photonique est une nanostructure optique périodique qui affecte le mouvement des photons de la même manière que les réseaux ioniques affectent les électrons dans les solides. Les cristaux photoniques se présentent dans la nature sous forme de coloration structurelle et de réflecteurs animaux et, sous différentes formes, promettent d'être utiles dans une gamme d'applications.
En 1887, le physicien anglais Lord Rayleigh a expérimenté des empilements diélectriques multicouches périodiques , montrant qu'ils avaient une bande interdite photonique dans une dimension. L'intérêt de la recherche s'est accru avec les travaux en 1987 d' Eli Yablonovitch et de Sajeev John sur les structures optiques périodiques à plus d'une dimension, maintenant appelées cristaux photoniques.
Les cristaux photoniques peuvent être fabriqués pour une, deux ou trois dimensions. Les cristaux photoniques unidimensionnels peuvent être constitués de couches déposées ou collées entre elles. Les bidimensionnels peuvent être réalisés par photolithographie , ou en perçant des trous dans un substrat approprié. Les méthodes de fabrication pour les tridimensionnels comprennent le perçage sous différents angles, l'empilement de plusieurs couches 2D les unes sur les autres, l'écriture laser directe ou, par exemple, l'auto-assemblage de sphères dans une matrice et la dissolution des sphères.
Les cristaux photoniques peuvent, en principe, trouver des utilisations partout où la lumière doit être manipulée. Les applications existantes incluent l' optique à couche mince avec des revêtements pour les lentilles. Les fibres à cristaux photoniques bidimensionnelles sont utilisées dans des dispositifs non linéaires et pour guider des longueurs d'onde exotiques. Les cristaux tridimensionnels pourraient un jour être utilisés dans les ordinateurs optiques . Les cristaux photoniques tridimensionnels pourraient conduire à des cellules photovoltaïques plus efficaces en tant que source d'énergie pour l'électronique, réduisant ainsi le besoin d'une entrée électrique pour l'alimentation.
introduction
Les cristaux photoniques sont composés de microstructures ou nanostructures diélectriques périodiques , métallo-diélectriques ou même supraconductrices qui affectent la propagation des ondes électromagnétiques de la même manière que le potentiel périodique dans un cristal semi - conducteur affecte les électrons en définissant des bandes d'énergie électronique autorisées et interdites . Les cristaux photoniques contiennent des régions répétitives de constante diélectrique élevée et faible . Les photons (se comportant comme des ondes) se propagent ou non à travers cette structure, selon leur longueur d'onde. Les longueurs d'onde qui se propagent sont appelées modes et les groupes de modes autorisés forment des bandes. Les bandes de longueurs d' onde interdites sont appelées bandes interdites photoniques . Cela donne lieu à des phénomènes optiques distincts, tels que l'inhibition de l'émission spontanée , des miroirs omnidirectionnels hautement réfléchissants et un guidage d' ondes à faible perte . Intuitivement, la bande interdite des cristaux photoniques peut être comprise comme résultant de l'interférence destructive de multiples réflexions de lumière se propageant dans le cristal aux interfaces des régions à constante diélectrique élevée et faible, semblable aux bandes interdites des électrons dans les solides.
La périodicité de la structure cristalline photonique doit être d'environ la moitié de la longueur d'onde des ondes électromagnétiques à diffracter . Il s'agit de ~350 nm (bleu) à ~650 nm (rouge) pour les cristaux photoniques qui opèrent dans la partie visible du spectre, voire moins, selon l' indice de réfraction moyen . Les régions répétitives de constante diélectrique élevée et faible doivent donc être fabriquées à cette échelle, ce qui est difficile.
Histoire
Les cristaux photoniques ont été étudiés sous une forme ou une autre depuis 1887, mais personne n'a utilisé le terme cristal photonique jusqu'à plus de 100 ans plus tard, après qu'Eli Yablonovitch et Sajeev John ont publié deux articles marquants sur les cristaux photoniques en 1987. L'histoire des débuts est bien documentée. sous la forme d'une histoire lorsqu'il a été identifié comme l'un des développements marquants de la physique par l' American Physical Society .
Avant 1987, les cristaux photoniques unidimensionnels sous la forme d'empilements diélectriques multicouches périodiques (comme le miroir de Bragg ) ont été largement étudiés. Lord Rayleigh a commencé son étude en 1887, en montrant que de tels systèmes ont une bande interdite photonique unidimensionnelle, une gamme spectrale de grande réflectivité, connue sous le nom de bande d'arrêt . Aujourd'hui, de telles structures sont utilisées dans un large éventail d'applications, des revêtements réfléchissants à l'amélioration de l'efficacité des LED en passant par les miroirs hautement réfléchissants dans certaines cavités laser (voir, par exemple, VCSEL ). Les bandes passantes et les bandes d'arrêt dans les cristaux photoniques ont d'abord été réduites à la pratique par Melvin M. Weiner qui a appelé ces cristaux « milieux discrets en phase ordonnée ». Melvin M. Weiner a obtenu ces résultats en étendant la théorie dynamique de Darwin pour la diffraction de Bragg aux rayons X à des longueurs d'onde arbitraires, des angles d'incidence et des cas où le front d'onde incident sur un plan de réseau est diffusé sensiblement dans la direction de diffusion vers l'avant. Une étude théorique détaillée des structures optiques unidimensionnelles a été réalisée par Vladimir P. Bykov , qui a été le premier à étudier l'effet d'une bande interdite photonique sur l'émission spontanée d'atomes et de molécules noyés dans la structure photonique. Bykov a également spéculé sur ce qui pourrait arriver si des structures optiques périodiques à deux ou trois dimensions étaient utilisées. Le concept de cristaux photoniques tridimensionnels a ensuite été discuté par Ohtaka en 1979, qui a également développé un formalisme pour le calcul de la structure des bandes photoniques. Cependant, ces idées n'ont décollé qu'après la publication de deux articles marquants en 1987 par Yablonovitch et John. Ces deux articles concernaient des structures optiques périodiques de grande dimension, c'est-à-dire des cristaux photoniques. L'objectif principal de Yablonovitch était de concevoir une densité photonique d'états pour contrôler l' émission spontanée de matériaux intégrés dans le cristal photonique. L'idée de John était d'utiliser des cristaux photoniques pour affecter la localisation et le contrôle de la lumière.
Après 1987, le nombre d'articles de recherche concernant les cristaux photoniques a commencé à croître de façon exponentielle. Cependant, en raison de la difficulté de fabriquer ces structures à des échelles optiques (voir Défis de fabrication ), les premières études étaient soit théoriques, soit en régime micro-ondes, où les cristaux photoniques peuvent être construits à l'échelle centimétrique plus accessible. (Ce fait est dû à une propriété des champs électromagnétiques connue sous le nom d'invariance d'échelle. En substance, les champs électromagnétiques, en tant que solutions des équations de Maxwell , n'ont pas d'échelle de longueur naturelle. Les solutions pour la structure à l'échelle centimétrique aux fréquences micro-ondes sont donc les mêmes que pour structures à l'échelle du nanomètre à des fréquences optiques.)
En 1991, Yablonovitch avait démontré la première bande interdite photonique tridimensionnelle dans le régime des micro-ondes. La structure que Yablonovitch a pu produire impliquait de percer un réseau de trous dans un matériau transparent, où les trous de chaque couche forment une structure en diamant inverse - aujourd'hui elle est connue sous le nom de Yablonovite .
En 1996, Thomas Krauss a démontré un cristal photonique bidimensionnel aux longueurs d'onde optiques. Cela a ouvert la voie à la fabrication de cristaux photoniques dans des matériaux semi-conducteurs en empruntant des méthodes à l'industrie des semi-conducteurs.
Aujourd'hui, ces techniques utilisent des plaques de cristal photonique, qui sont des cristaux photoniques bidimensionnels "gravés" dans des plaques de semi-conducteur. La réflexion interne totale confine la lumière à la dalle et permet des effets de cristaux photoniques, tels que l'ingénierie de la dispersion photonique dans la dalle. Des chercheurs du monde entier cherchent des moyens d'utiliser des plaques de cristal photonique dans des puces informatiques intégrées, afin d'améliorer le traitement optique des communications, à la fois sur puce et entre puces.
Technique de fabrication d'autoclonage, proposée pour les cristaux photoniques dans l' infrarouge et le visible par Sato et al. en 2002, utilise la lithographie par faisceau d'électrons et la gravure sèche : des couches formées par lithographie de rainures périodiques sont empilées par dépôt et gravure par pulvérisation régulée , ce qui entraîne des « ondulations stationnaires » et une périodicité. Des dispositifs dioxyde de titane / silice et pentoxyde de tantale /silice ont été produits, en exploitant leurs caractéristiques de dispersion et leur aptitude au dépôt par pulvérisation cathodique.
De telles techniques n'ont pas encore abouti à des applications commerciales, mais les cristaux photoniques bidimensionnels sont commercialement utilisés dans les fibres de cristaux photoniques (également appelées fibres trouées, en raison des trous d'air qui les traversent). Les fibres à cristaux photoniques ont été développées pour la première fois par Philip Russell en 1998, et peuvent être conçues pour posséder des propriétés améliorées par rapport aux fibres optiques (normales) .
L'étude s'est déroulée plus lentement dans les cristaux photoniques tridimensionnels que dans les cristaux photoniques bidimensionnels. Ceci est dû à une fabrication plus difficile. La fabrication de cristaux photoniques tridimensionnels n'avait pas de techniques héritées de l'industrie des semi-conducteurs sur lesquelles s'appuyer. Des tentatives ont été faites, cependant, pour adapter certaines des mêmes techniques, et des exemples assez avancés ont été démontrés, par exemple dans la construction de structures en « tas de bois » construites sur une base planaire couche par couche. Un autre volet de la recherche a tenté de construire des structures photoniques tridimensionnelles à partir de l'auto-assemblage, en laissant essentiellement un mélange de nanosphères diélectriques se déposer de la solution dans des structures périodiques tridimensionnelles qui ont des bandes interdites photoniques. Le groupe de Vasily Astratov de l' Institut Ioffe a réalisé en 1995 que les opales naturelles et synthétiques sont des cristaux photoniques avec une bande interdite incomplète. La première démonstration d'une structure "opale inverse" avec une bande interdite photonique complète est venue en 2000, par des chercheurs de l'Université de Toronto, au Canada, et de l'Institut des sciences des matériaux de Madrid (ICMM-CSIC), en Espagne. Le domaine en constante expansion de la photonique naturelle, de la bioinspiration et de la biomimétique - l'étude des structures naturelles pour mieux les comprendre et les utiliser dans la conception - aide également les chercheurs en cristaux photoniques. Par exemple, en 2006, un cristal photonique naturel a été découvert dans les écailles d'un scarabée brésilien. De manière analogue, en 2012, une structure cristalline de diamant a été trouvée chez un charançon et une architecture de type gyroïde chez un papillon. Plus récemment, des cristaux photoniques gyroïdes ont été trouvés dans les barbes de plumes d' oiseaux à ailes bleues et sont responsables de la coloration bleue chatoyante de l'oiseau.
Stratégies de construction
La méthode de fabrication dépend du nombre de dimensions dans lesquelles la bande interdite photonique doit exister.
- Exemples de structures cristallines photoniques possibles en 1, 2 et 3 dimensions
Comparaison des structures cristallines photoniques 1D, 2D et 3D (respectivement de gauche à droite).
Schéma d'une structure cristalline photonique 1D, constituée de couches alternées d'un matériau à constante diélectrique élevée et d'un matériau à faible constante diélectrique. Ces couches ont généralement une épaisseur d'un quart de longueur d'onde.
Structure cristalline photonique 2D dans un réseau carré.
Schéma d'un cristal photonique 2D fait de trous circulaires.
Un cristal photonique 3D structuré en tas de bois. Ces structures ont une bande interdite tridimensionnelle pour toutes les polarisations
Cristaux photoniques unidimensionnels
Dans un cristal photonique unidimensionnel, des couches de constante diélectrique différente peuvent être déposées ou collées ensemble pour former une bande interdite dans une seule direction. Un réseau de Bragg est un exemple de ce type de cristal photonique. Les cristaux photoniques unidimensionnels peuvent être isotropes ou anisotropes, ces derniers pouvant être utilisés comme commutateur optique .
Le cristal photonique unidimensionnel peut se former sous la forme d'un nombre infini de couches alternées parallèles remplies d'un métamatériau et d'un vide. Cela produit des structures à bande interdite photonique (PBG) identiques pour les modes TE et TM .
Récemment, des chercheurs ont fabriqué un réseau de Bragg à base de graphène (cristal photonique unidimensionnel) et ont démontré qu'il prend en charge l'excitation des ondes électromagnétiques de surface dans la structure périodique en utilisant un laser He-Ne à 633 nm comme source lumineuse. En outre, un nouveau type de cristal photonique diélectrique de graphène unidimensionnel a également été proposé. Cette structure peut agir comme un filtre IR lointain et peut prendre en charge des plasmons de surface à faible perte pour les applications de guide d'ondes et de détection. Des cristaux photoniques 1D dopés avec des métaux bioactifs (c'est-à-dire de l' argent ) ont également été proposés comme dispositifs de détection des contaminants bactériens . Des cristaux photoniques planaires 1D similaires constitués de polymères ont été utilisés pour détecter les vapeurs de composés organiques volatils dans l'atmosphère. En plus des cristaux photoniques en phase solide, certains cristaux liquides avec un ordre défini peuvent présenter une couleur photonique. Par exemple, des études ont montré que plusieurs cristaux liquides avec un ordre de position unidimensionnel à courte ou longue portée peuvent former des structures photoniques.
Cristaux photoniques bidimensionnels
En deux dimensions, des trous peuvent être percés dans un substrat transparent à la longueur d'onde du rayonnement que la bande interdite est conçue pour bloquer. Des réseaux de trous triangulaires et carrés ont été utilisés avec succès.
La fibre de Holey ou fibre de cristal photonique peut être fabriquée en prenant des tiges de verre cylindriques en réseau hexagonal, puis en les chauffant et en les étirant, les entrefers en forme de triangle entre les tiges de verre deviennent les trous qui confinent les modes.
Cristaux photoniques tridimensionnels
Plusieurs types de structures ont été construits :
- Sphères dans un réseau de diamants
- Yablonovite
- La structure du tas de bois - les "tiges" sont gravées à plusieurs reprises avec une lithographie à poutres , remplies et recouvertes d'une couche de nouveau matériau. Au fur et à mesure que le processus se répète, les canaux gravés dans chaque couche sont perpendiculaires à la couche inférieure et parallèles et déphasés avec les canaux deux couches inférieures. Le processus se répète jusqu'à ce que la structure atteigne la hauteur désirée. Le matériau de remplissage est ensuite dissous à l'aide d'un agent qui dissout le matériau de remplissage mais pas le matériau de dépôt. Il est généralement difficile d'introduire des défauts dans cette structure.
- On peut laisser les opales inverses ou les cristaux colloïdaux inverses- sphères (comme le polystyrène ou le dioxyde de silicium ) se déposer dans un réseau cubique compact suspendu dans un solvant . Ensuite, un durcisseur est introduit qui rend un solide transparent à partir du volume occupé par le solvant. Les sphères sont ensuite dissoutes avec un acide tel que l' acide chlorhydrique . Les colloïdes peuvent être sphériques ou non sphériques. contient plus de 750 000 nanotiges de polymère. La lumière focalisée sur ce séparateur de faisceau pénètre ou est réfléchie, selon la polarisation.
Cavités à cristaux photoniques
Non seulement la bande interdite, les cristaux photoniques peuvent avoir un autre effet si nous supprimons partiellement la symétrie grâce à la création d'une cavité nanométrique . Ce défaut permet de guider ou de piéger la lumière avec la même fonction que le résonateur nanophotonique et il se caractérise par la forte modulation diélectrique dans les cristaux photoniques. Pour le guide d'onde, la propagation de la lumière dépend du contrôle dans le plan fourni par la bande interdite photonique et du long confinement de la lumière induit par la désadaptation diélectrique. Pour le piège à lumière, la lumière est fortement confinée dans la cavité, ce qui entraîne d'autres interactions avec les matériaux. Premièrement, si nous mettons une impulsion de lumière à l'intérieur de la cavité, elle sera retardée de quelques nano- ou picosecondes et ceci est proportionnel au facteur de qualité de la cavité. Enfin, si nous mettons un émetteur à l'intérieur de la cavité, la lumière d'émission peut également être considérablement améliorée et ou même le couplage résonant peut passer par l'oscillation de Rabi. Ceci est lié à l'électrodynamique quantique de la cavité et les interactions sont définies par le couplage faible et fort de l'émetteur et de la cavité. Les premières études de la cavité dans les dalles photoniques unidimensionnelles sont généralement réalisées dans des structures à réseau ou à rétroaction distribuée . Pour les cavités cristallines photoniques bidimensionnelles, elles sont utiles pour fabriquer des dispositifs photoniques efficaces dans les applications de télécommunications, car elles peuvent fournir un facteur de qualité très élevé jusqu'à des millions avec un volume de mode inférieur à la longueur d'onde . Pour les cavités cristallines photoniques tridimensionnelles, plusieurs méthodes ont été développées, notamment l'approche lithographique couche par couche, la lithographie par faisceau d'ions de surface et la technique de micromanipulation . Toutes les cavités cristallines photoniques mentionnées qui confinent étroitement la lumière offrent des fonctionnalités très utiles pour les circuits photoniques intégrés, mais il est difficile de les produire d'une manière qui permette de les déplacer facilement. Il n'y a pas de contrôle total sur la création de la cavité, l'emplacement de la cavité et la position de l'émetteur par rapport au champ maximum de la cavité alors que les études pour résoudre ces problèmes sont toujours en cours. La cavité mobile du nanofil dans les cristaux photoniques est l'une des solutions pour adapter cette interaction lumière-matière.
Défis de fabrication
La fabrication de cristaux photoniques de plus grande dimension fait face à deux défis majeurs :
- Les fabriquer avec suffisamment de précision pour éviter les pertes par diffusion brouillant les propriétés du cristal
- Concevoir des processus capables de produire en masse les cristaux de manière robuste
Une méthode de fabrication prometteuse pour les cristaux photoniques bidimensionnels périodiques est une fibre à cristaux photoniques , telle qu'une fibre trouée . En utilisant des techniques d'étirage de fibres développées pour les fibres de communication, il répond à ces deux exigences, et les fibres à cristaux photoniques sont disponibles dans le commerce. Une autre méthode prometteuse pour développer des cristaux photoniques bidimensionnels est la dalle de cristal photonique. Ces structures sont constituées d'une plaque de matériau, comme le silicium, qui peut être modelée à l'aide de techniques de l'industrie des semi-conducteurs. De telles puces offrent la possibilité de combiner le traitement photonique avec le traitement électronique sur une seule puce.
Pour les cristaux photoniques tridimensionnels, diverses techniques ont été utilisées, notamment des techniques de photolithographie et de gravure similaires à celles utilisées pour les circuits intégrés . Certaines de ces techniques sont déjà disponibles dans le commerce. Pour éviter la machinerie complexe des méthodes nanotechnologiques , certaines approches alternatives impliquent la croissance de cristaux photoniques à partir de cristaux colloïdaux en tant que structures auto-assemblées.
Des films et des fibres de cristaux photoniques 3D à grande échelle peuvent désormais être produits à l'aide d'une technique d'assemblage par cisaillement qui empile des sphères de polymère colloïdal de 200 à 300 nm dans des films parfaits de réseau fcc . Étant donné que les particules ont un revêtement en caoutchouc transparent plus doux, les films peuvent être étirés et moulés, ce qui permet de régler les bandes interdites photoniques et de produire des effets de couleur structurels saisissants .
Calcul de la structure des bandes photoniques
La bande interdite photonique (PBG) est essentiellement l'espace entre la ligne aérienne et la ligne diélectrique dans la relation de dispersion du système PBG. Pour concevoir des systèmes à cristaux photoniques, il est essentiel de concevoir l'emplacement et la taille de la bande interdite par modélisation informatique à l'aide de l'une des méthodes suivantes :
- Méthode d'expansion d'onde plane
- Méthode des éléments finis
- Domaine temporel différence finie méthode
- Méthode spectrale d'ordre n
- Méthode KKR
- Vague de Bloch – méthode MoM
Essentiellement, ces méthodes résolvent les fréquences (modes normaux) du cristal photonique pour chaque valeur de la direction de propagation donnée par le vecteur d'onde, ou vice versa. Les différentes lignes de la structure de bande correspondent aux différents cas de n , l'indice de bande. Pour une introduction à la structure des bandes photoniques, voir les livres de K. Sakoda et Joannopoulos.
La méthode d' expansion des ondes planes peut être utilisée pour calculer la structure de bande en utilisant une formulation propre des équations de Maxwell, et donc en résolvant les fréquences propres pour chacune des directions de propagation, des vecteurs d'onde. Il résout directement pour le diagramme de dispersion. Les valeurs d'intensité de champ électrique peuvent également être calculées sur le domaine spatial du problème en utilisant les vecteurs propres du même problème. Pour l'image montrée à droite, correspond à la structure de bande d'un réflecteur de Bragg distribué 1D ( DBR ) avec un noyau d'air entrelacé avec un matériau diélectrique de permittivité relative 12,25, et un rapport période de réseau/épaisseur de noyau d'air (d/ a) de 0,8, est résolu en utilisant 101 ondes planes sur la première zone irréductible de Brillouin .
Pour accélérer le calcul de la structure de la bande de fréquences, la méthode d' expansion en mode bloc réduit (RBME) peut être utilisée. La méthode RBME s'applique "au-dessus" de l'une des méthodes d'expansion principales mentionnées ci-dessus. Pour les grands modèles de cellules unitaires, la méthode RBME peut réduire le temps de calcul de la structure de bande jusqu'à deux ordres de grandeur.
Applications
Les cristaux photoniques sont des matériaux optiques attrayants pour contrôler et manipuler le flux lumineux. Les cristaux photoniques unidimensionnels sont déjà largement utilisés, sous la forme d' optiques à couches minces , avec des applications allant des revêtements à faible et haute réflexion sur les lentilles et les miroirs aux peintures et encres à changement de couleur . Les cristaux photoniques de dimensions supérieures présentent un grand intérêt pour la recherche fondamentale et appliquée, et les cristaux bidimensionnels commencent à trouver des applications commerciales.
Les premiers produits commerciaux impliquant des cristaux photoniques périodiques bidimensionnels sont déjà disponibles sous la forme de fibres à cristaux photoniques , qui utilisent une structure microscopique pour confiner la lumière avec des caractéristiques radicalement différentes par rapport à la fibre optique conventionnelle pour des applications dans des dispositifs non linéaires et le guidage de longueurs d'onde exotiques. Les contreparties tridimensionnelles sont encore loin d'être commercialisées mais peuvent offrir des fonctionnalités supplémentaires telles que la non-linéarité optique requise pour le fonctionnement des transistors optiques utilisés dans les calculateurs optiques , lorsque certains aspects technologiques tels que la fabricabilité et les principales difficultés telles que le désordre sont sous contrôle.
En plus de ce qui précède, des cristaux photoniques ont été proposés comme plateformes pour le développement de cellules solaires et de capteurs optiques, y compris des capteurs chimiques et des biocapteurs. Divya, J; Salvendran, S; Sivantha Raja, A (2019). « Biocapteur optique à base de cristal photonique : une brève enquête ». Physique des lasers . IOP Science / Astro Ltd. 28 (6) : 066206. doi : 10.1088/1555-6611/aab7d2 .</ref>
Voir également
- Coloration animale – Aspect général d'un animal
- Réflecteurs animaux
- Cristal colloïdal
- Matériel pour gaucher
- Métamatériau - Matériaux conçus pour avoir des propriétés qui n'ont pas encore été trouvées dans la nature
- Nanomatériaux – Matériaux dont la taille granulaire est comprise entre 1 et 100 nm
- Nanotechnologie – Domaine des sciences appliquées dont le thème est le contrôle de la matière à l'échelle atomique et (supra)moléculaire
- Support optique
- Fibre à cristaux photoniques – classe de fibres optiques basée sur les propriétés des cristaux photoniques
- Métamatériaux photoniques
- Coloration structurelle - Couleur chez les créatures vivantes causée par des effets d'interférence
- Superlentilles
- Superprisme
- Optiques à couche mince - Direction générale de l' optique qui traite des couches structurées très minces de matériaux différents
- Métamatériaux accordables