Calcul de l'émission d'un dipôle-source au sein de structures photoniques
G. Lecamp, J.P. Hugonin and Ph. Lalanne
Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique, Centre National de la Recherche Scientifique
91403 Orsay cedex, France.
En optique intégrée, le confinement de la lumière dans des microcavités de faible volume
modal et le contrôle de l'émission spontanée sont des défis scientifiques importants pour un grand
nombre d'applications [1] comme les sources à photon unique, les lasers à boite quantique unique...
L'émission dans ces structures complexes est essentiellement caractérisée par deux paramètres : le
facteur de Purcell et l'efficacité d'émission. Le facteur de Purcell, F
p
, représente l'augmentation
d'émission due à la structure par rapport à l'émission du même émetteur dans le matériau massif ;
quant à l'efficacité , c'est le rapport entre l'émission dans un mode donné et l'émission totale dans
l'ensemble des modes. Le calcul numérique de ces deux paramètres est à la fois essentiel et délicat
puisqu'il exige l'introduction d'un dipôle source au sein de la structure et surtout le calcul de
l'émission sur l'ensemble des modes, aussi bien les guidés que les radiatifs.
Dans notre groupe, depuis plusieurs années, une méthode modale de Fourier en 3D a été
développée [2] ; elle repose sur une intégration analytique des équations de Maxwell dans une
direction et sur une approche "supercellule" dans les deux autres directions. Des PMLs sont
utilisées dans ces deux dernières directions pour prendre en compte les pertes radiatives en champ
lointain et pour satisfaire les conditions d'ondes sortantes aux frontières de la supercellule. Cela
nous permet de calculer dans chaque couche homogène les modes radiatifs et guidés dans une base
de Fourier, enfin une intégration suivant la direction longitudinale par les matrices S, relie
l'amplitude des modes d'une couche à l'autre. Cette méthode de simulation 3D a déjà été largement
utilisée et validée pour diverses structures passives : micropiliers, microcavités à cristaux
photoniques (CP), ou encore guide d'onde à CP (W1). Dans la continuité de ce travail et dans le but
de mieux comprendre et d'optimiser les propriétés d'émission des structures photoniques, nous
proposons de discuter de l'introduction d'un dipôle source dans ce code et des possibilités que cet
ajout ouvrent.
Figure 1: Un dipôle source à l'intérieur d'un guide d'onde diélectrique (n=3.5), rectangulaire dans l'air (cf.
encart). La courbe en trait plein représente l'émission dans le mode fondamental obtenue par un "mode
solver" (grande précision) et les astérisques sont obtenus par notre propre méthode de calcul. La ligne
pointillée représente l'émission dans tous les modes là aussi calculé par notre méthode. Toutes les émissions
sont normalisées à celle du même émetteur dans le matériau massif (n=3.5).
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