Analyse des propriétés d'ultra-réfraction de cristaux
photoniques planaires à fort contraste d'indice
E. Cassan, D. Bernier, A. Lupu
Institut d'Electronique Fondamentale,UMR CNRS 8622, Université Paris Sud, 91405 Orsay, France
Résumé: L'analyse des propriétés de dispersion géante de cristaux photoniques planaires réalisés à partir
de substrats silicium sur isolant (SOI) est présentée dans cette communication. Des effets de dispersion
normale et anormale de forte amplitude (jusqu'à 1,3°/nm) ont été mesurés par notre équipe sur ce type de
structures. Une analyse des courbes iso-fréquence par la méthode des ondes planes 3D permet
d'interpréter les valeurs de la dispersion angulaire mesurées et d'identifier les bandes de fréquence à
l'origine de cet effet de « superprisme ».
1. Description de la structure
L'origine du phénomène d'ultra-réfraction dans les cristaux photoniques tient au fait que dans les régions où les
bandes de fréquences d'un cristal photonique sont plates, une faible variation de la longueur d'onde peut
entraîner une variation importante des courbes de dispersion de la structure, et donc une forte déviation de la
vitesse de groupe V
G
de la lumière [1].
Nous avons étudié une structure de cristal photonique planaire dans le but de mettre en évidence ce type de
propriétés. La structure a été conçue à l'IEF, fabriquée au CEA-LETI par un procédé de lithographie deep-UV à
193 nm et une étape de gravure RIE (AC Nanosciences
LAMBDACONNECT
), puis testées à l'IEF. Cette structure
est constituée d'un ensemble de trous cylindriques de diamètre
170nm, gravés dans l'épaisseur d'un guide
plan SOI de hauteur 240nm, et formant un réseau triangulaire de pas a=460nm. Le cristal photonique est
compris dans un demi-disque de rayon 40µm (figure 1). Différents guides d'entrée ont été prévus présentant une
incidence allant de 60° à +60° par pas de 15°, de manière à exciter différents points dans l'espace réciproque.
La largeur de ces guides (10 µm) a été choisie de manière à ce que le front d'onde de la lumière incidente ait
une faible divergence et donc une composante parallèle du vecteur d'onde bien définie. La lumière est collectée
en sortie par un ensemble de guides d'ondes de largeur 3µm, séparés angulairement par pas de 3,5°.
10
0µ
m
10
0µ
m
Figure 1. a). Vue générale : entrée à -30° ou -45° Figure 1. b). Région du cristal photonique
2. Résultats expérimentaux
La lumière issue d'une source, puis polarisée linéairement (TM), a été couplée dans un guide d'onde d'entrée au
moyen d'une fibre lentillée à maintien de polarisation. La lumière collectée en sortie à l'aide d'un objectif a été
soit visualisée à l'aide d'une caméra IR, soit détectée à l'aide d'une photodiode IR. L'image de la face de sortie
donne alors la répartition de la lumière entre les différents guides d'ondes de sortie.
La figure 2 présente la succession des sorties observée pour des longueurs d'ondes croissantes de 1280 à
1350nm et pour deux angles d'incidence en entrée (-30° et -45°). On note un décalage des sorties dans chaque
cas lorsque la longueur d'onde de la lumière couplée à l'entrée varie. Dans le cas d'un angle d'entrée de -30°,
une déviation d'environ -20° à -35° de l'angle de sortie est observée dans la plage de longueur d'ondes
explorée, tandis que cette déviation est comprise entre -63° à -45° pour l'angle d'incidence de -45°. Pour l'angle
d'entrée de -45°, un deuxième groupe de sorties de plus faible amplitude, non représenté en figure 2, a
également été observé au voisinage de la direction +10/20°.
Des mesures quantitatives ont permis d'évaluer la déviation angulaire par unité de longueur d'onde du maximum
d'intensité en sortie. Suivant la direction de la lumière incidente, des phénomènes de dispersion soit positive
(0,4°/nm), soit négative (-1,3°/nm) ont été clairement observés. Ce changement de signe en fonction de
l'incidence est un phénomène spécifique aux cristaux photoniques et a été démontré expérimentalement pour la
première fois [2].
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