Institut des Nanotechnologies de Lyon

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1 Institut des Nanotechnologies de Lyon

2 Y a-t-il une vie en dehors de la microélectronique pour les semiconducteur? Microélectronique c est le silicium Maturité technologique Matériau (qualité,pureté,possibilité de dopage,300k) Lithographie (résolution nanomètrique) Procédés éprouvés (gravure,dépôts,passivation ) Et surtout un dispositif le transistor MOS

3 La photonique éclairage imagerie microscopie solaire laser fibre optique

4 La miniaturisation miroir de télescope qq m lentille cm fibre optique 10µm nm

5 La nature de la lumière Newton Corpuscule Huygens Fresnel onde Maxwell Einstein photon

6 Comment dompter la lumière? Optique géométrique Miroir Lentilles Indice n :v=c/n Prisme n=n(l)

7 Le miroir

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9 Réfraction q1 air n1=1 liquide n2=1.3 q2=q1 n1/n2 pour de petits angles q2

10 lentilles

11 Illustrations spectroscope microscope télescope

12 La réflexion totale air n=1 liquide n=1.3

13 Guide optique: guide réfractif n 1 n 2 n 2 <n 1

14 Guirlande pour déco Taille millimétrique

15 Dispersion Indice dépend de la couleur n bleu >nv ert> n rouge air n=1 Effet prisme eau n=1.3

16 Réduire la taille Pourquoi? Réduire les coût du circuit (cf. microélectronique) Réduire le coût du packaging (fonctions complexe=plusieurs circuits optiques à aligner) Circuit complexe limitation? Nature ondulatoire de la lumière

17 Optique ondulatoire Huygens Fresnel Maxwell

18 diffraction

19 lumière

20 l La lumière est une onde électromagnétique : E= E0 sin (w t+k x) w=2pf est la pulsation K le vecteur d onde avec K=2p/l dans le vide bleu 0.4µm, vert 0.5µm, rouge 0.6µm

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22 Photonique «classique» : la fibre optique coeur La photonique a été faite autour de la fibre optique (telecom) ~10 µm

23 Exemple de circuit AWG l2 l1 l4 l3 qq mm

24 Réduire la taille Pourquoi? Réduire les coût du circuit (cf. microélectronique) Réduire le coût du packaging (fonctions complexe=plusieurs circuits optiques à aligner) Circuit complexe Comment? Plus fort contraste d indice Nouveaux principes : par ex. cristaux photonique

25 La limitation : le guide n1 n2 n1 >n2 Guide sur verre n1~ 1.5 et Dn ~ 10-2 Largeur de l ordre de 10µm Rayon de courbure min de l ordre de 100µm 1 ère approche augmenter Dn

26 Intérêts des SC pour la photonique Indice optique élevé (n>3) Conversion électron-photon Diodes électroluminescentes Lasers Photodétecteurs Cellules solaires Panoplie de matériaux vaste IV-IV: Si, Ge et leurs alliages III-V: GaAs, InP,InAs et leurs alliages Applications Telecom Interconnexions optiques Capteurs chimiques et biologiques

27 Structure à fort contraste d indice: un exemple le SOI Si n=3.5 SiO 2 n=1.5 Si n=3.5 Université Cornell

28 Des photons et des électrons E Gap indirect (Si,SiGe,SiC ) Gap direct (GaAs,InP ) K

29 Laser miroir qq centaines de microns Milieu actif Laser à semiconducteur Longueur de qq centaines de µm Comment réduire les dimensions? Augmenter la réflectivité des miroirs Nouveaux types de cavités miroir Laser classique

30 Le miroir de Bragg l/4n 1 l/4n 2 l/4n 1 l/4n 2 l/4n 1

31 Réponse spectrale l Bragg Coefficient de réflexion 1 0 Bande interdite (BI) BI arcsin((n 1 -n 2 )/(n 1 +n 2 )) Longueur d onde

32 Le premier microlaser: le laser à cavité verticale miroir de Bragg la fraction de micron Milieu actif miroir de Bragg Laser a cavité verticale

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34 Les micropiliers

35 Diminuer encore la taille: le microdisque n=3 Réflection totale n=1 Mode de Gallerie à fort Q et diamètre du disque de l ordre du micron

36 2µm Disque GaAs Couche active: Boites quantiques InAs

37 Et au-delà: les cristaux photoniques Des ailes de papillons pour apprivoiser la lumière

38 Les ailes de papillons

39 Les Objectifs Miroir parfait sans perte R=1 qq soit l angle et la polarisation Pourquoi faire Mettre la lumière en cage Réalisation de nanocavités, nanoguides Comment Avec des ailes de papillons

40 Coefficient de réflexion Retour sur le miroir de Bragg q=0 q=35 q=45 Longueur d onde

41 Rappels l La lumière est une onde électromagnétique : E= E0 sin (w t+k x) w est la pulsation K le vecteur d onde avec K=2p/l dans le vide bleu 0.4µm, vert 0.5µm, rouge 0.6µm

42 Relation de dispersion w Vg = w = K c Vg est la vitesse de propagation de l énergie K

43 Approche cristal photonique a x y

44 Deux symétries: translation continu suivant x (Opérateur Tx) et translation discrète suivant y avec une periode a (Opérateur Ty,a) Le théorème de Bloch nous dit que les modes sont de la forme : ikx x ik E( x, y) = e e avecu ( y a) = K y y x u u K Ky y ( y) ( y) Rq: Ky et Ky+n 2p/a correspondent au même mode w(ky) = w(ky+n 2p/a ) on se limite donc en Ky à la zone [-p/a, p/a] C est la première zone de Brillouin Autre point important on a w(-ky) =w(ky) (invariance par inversion du temps)

45 Visualisation

46 Allure d un courbe de dispersion w Bande interdite Bande interdite -3p/a -p/a 0 Ky p/a 3p/a Ici Kx=0 Zone de Brillouin irréductible

47 Influence de Kx (l angle d incidence)

48 Vitesse de groupe w Vg=0 0 p/a Ky

49 Vg Vitesse de groupe BI On peut avoir Vg=0!!!! On peut ralentir les photons A quoi ça sert? w

50 Applications Laser Effet non linéaire Effet superprisme Ligne à retard optique Oui mais 1D Bande interdite partielle

51 Comment faire apparaître une bande interdite totale? Structure à 2 et 3dimension?

52 Cristal photonique 2D Le plus simple «percer» des trous ou faire des colonnes périodiques

53 Quelques considérations simples a 2 2 a a

54 Coefficient de réflexion Bande interdite totale Miroir omnidirectionnel coté du carré diagonale Longueur d onde

55 Les meilleures structures? tiges trous

56 Réseaux hexagonal de trou 8 Brillouin zone and KPath 6 4 M K k z er matériau =8.9 Periode =a Rayon-trou=0.48*a k x

57 K M Relation de dispersion: une bande interdite complète TE/TM Band Structure 0.8 TM 0.7 TE Frequency (wa/2pc=a/l)

58 Structure de bande photonique libre E = 2 k 2m 2 w = ck = c Kx 2 Ky 2 électron photon 0.6 Polarisation TE Frequence reduite (wa/2pc=a/l) Bande interdite 0.0 X M

59 Guidage Guide droit Virage à 90

60 NanoLaser

61 Le plus petit laser du monde!!! 0.3µm Mille fois plus petit qu un cheveu Caltech

62 Quelques simulations maintenant

63 On ne vit pas dans un mode 2D On utilise le SOI comme plateforme «quasi 2D»

64 Etudes à NANOPTEC 4.0µm topographie Collaboration INL (INSA LYON)- IMEC

65 Comment les étudier? Microscope à champ proche optique

66 Les belles images Guide à cristal photonique Diviseur à cristal photonique