Effet de focalisation par un cristal photonique en régime de réfraction négative
Nathalie Fabre, Sophie Fasquel, Xavier Mélique, Didier Lippens et Olivier Vanbésien
IEMN, UMR CNRS 8520, Université de Lille 1, Avenue Poincaré, BP 60069, 59652 Villeneuve d'Ascq Cedex
Loïc Lalouat et Frédérique de Fornel
LPUB, UMR CNRS 5207, Université de Bourgogne, Avenue A. Savary, BP 47870, 21078 Dijon Cedex
Dans ce travail, différents axes de recherche inter-dépendants, entièrement voués à la démonstration
expérimentale directe d'un effet de réfraction négative aux longueurs d'onde optique dans une structure
diélectrique seront présentés. Le but poursuivi est de mettre en évidence l'effet de focalisation d'une lentille
plane sur un prototype caractérisable par une sonde optique en champ proche (SNOM : scanning near-field
optical microscope).
En tirant parti de l'expérience acquise sur les cristaux photoniques, il s'agira d'inscrire un réseau bidimensionnel
de trous d'air (diamètre de l'ordre de quelques centaines de nanomètres) dans une hétérostucture guidante
semiconductrice présentant potentiellement un indice de réfraction équivalent négatif à une longueur d'onde
voisine de 1.5 µm. La première étape consiste donc à calculer la structure de bande du cristal, tracer les courbes
iso-fréquence dans la première zone de Brillouin et d'isoler les points de fonctionnement présentant le maximum
d'isotropie associés à un renversement de la concavité de la branche de dispersion, signature d'un régime pour
lequel l'indice de réfraction est négatif.[1] L'excitation d'un point situé sous le cône de lumière s'avère aussi
déterminant. On pourra dans le cas des réseaux de type triangulaire, les trouver principalement en seconde bande
autour de
. En première bande, mais pour un réseau tilté autour du point K, on peut aussi mettre en évidence de
la réfraction négative. Le régime de fonctionnement plus complexe et ne fait plus intervenir d'indice de
réfraction négatif pour se focaliser sur les directions des vitesses de groupe et de phase.[2]
Pour la mise en évidence de la focalisation par une lame
d'un tel matériau il faut créer une source d'énergie quasi-
« ponctuelle » au voisinage de la surface de la lentille. La
solution retenue ici consiste en un guide ruban gravé créé
dans le même matériau que celui du cristal photonique.
Le guide est terminé par un trou diffractant à optimiser
permettant de créer le front d'onde circulaire propice à
l'observation de l'effet de focalisation. Ce dernier est
illustré sur la Figure 1. Sachant qu'il n'y a pas ici stricte
égalité entre les indices respectifs du milieu incident et du
cristal photonique, on peut observer des effets de
réflexion à chacune des interfaces. Néanmoins, par une
vision de type « chemins optiques » avant établissement
du régime permanent, un rapport d'indice n
2
/n
1
(lentille
/air) de l'ordre de 1.1 peut être déduit. Des étapes
d'optimisation supplémentaires pour minimiser les
réflexions sont en cours. Le choix d'une taille «optimale»
Figure 1 : Carte de champ illustrant la focalisation par un
cristal photonique en régime de réfraction négative (calcul 2D -
Fullwave de Rsoft)
pour la source d'excitation sera déterminant pour mettre en évidence les potentialités d'imagerie sous la limite de
diffraction de ce type de lentille.
Le poster illustrera les options choisies sur la base de ces simulations pour construire un prototype permettant
d'intégrer à la fois le guide ruban et le cristal photonique en un minimum d'étapes technologiques, par
l'utilisation d'une résine négative (HSQ), pour opérer à un transfert de masque (en nitrure). Ensuite, une gravure
profonde (rapport d'aspect ~10) de type RIE permet de définir le guide et le réseau.
En dernier lieu, les pré-requis nécessaires à la caractérisation, autant en injection qu'en collection d'information
seront discutés dans l'optique d'une caractérisation SNOM [3]. Le couplage du champ guidé (couplage par
évanescence, influence de la polarisation) aussi bien au dessus de la lentille, qu'en aval de celle-ci avec la sonde
reste un problème complexe qu'il faudra aborder pour interpréter avec précision les mesures.
[1] Left-handed electromagnetism via nanostructures materials : comparison to microstructured photonic crystals ,M. Perrin, S. Fasquel, T.
Decoopman, X. Mélique, O. Vanbésien, E. Lheurette and D. Lippens - Journal of Optics A : Pure and Applied Optics, 7 S3-S11, 2005
[2] All-angle negative refraction without negative effect index, C. Luo, S.G. Johnson, J.D. Joannopoulos and J.B. Pendry - Physical Review
B, 65 201104(R), 2002
[3] Experimental demonstration of Bloch mode parity change in photonic crystal waveguide, B. Cluzel, D. Gérard, E. Picard, T. Charvolin,
V. Calvo, E. Hadji and F. de Fornel Applied Physics Letters 85, 14, 2682-4, 2004
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