LES NANOTECHNOLOGIES

Photonique

Une fois les photons émis (diode laser), il faut les guider. Là, pas question d'utiliser les fibres optiques, bien trop encombrantes. Les simples miroirs sont aussi à oublier, ils ont une fâcheuse tendance à absorber une partie du rayon incident. Pour transporter la lumière, les scientifiques possèdent un dispositif bien plus efficace : le cristal photonique. Ces structures nanométriques sont dites matériaux à Bande Interdite Photonique (BIP). Les cristaux photoniques sont conçus par lithographie électronique à l'aide d'un faisceau d'électron de 50 KV appliqué directement sur la structure SOI.

C'est en 1987 que l'américain Eli Yablonovitch a inventé le concept. Spécialistes des semi-conducteurs, il s'est intéressé à la possibilité de créer des solides capables d'empêcher des photons d'une certaine longueur d'onde de se propager. Quatre ans plus tard, en 1991, le premier cristal photonique naissait.

Qu'est-ce que la BIP ?

Dans les semiconducteurs, la périodicité atomique empêche la propagation des électrons dont l'énergie est située dans une zone appelée bande interdite (gap). En 1987, il a été suggéré d'inhiber la propagation des photons de façon similaire par la création d'une périodicité artificielle dans des matériaux diélectriques. Ceci a donné naissance aux concepts de Bande Interdite Photonique (BIP), en anglais Photonic Band Gap (PBG), et de cristaux photoniques, ouvrant la voie à de nombreux travaux.

Le cristal guide la lumière :

Constitués d’empilements réguliers d’atomes, élaborés le plus simplement en perçant de minuscules trous périodiques dans un semi-conducteur, ces cristaux peuvent guider la lumière sans aucune perte. Il suffit pour cela d’y créer une voie que les photons seront obligés de suivre. S’ils ont la bonne longueur d’onde, ils ne pourront jamais s’écarter du chemin, étant incapables de se propager au-delà des parois, à l’intérieur du matériau. Les cristaux photoniques sont en quelque sorte des miroirs parfaits. Non contents de diriger la lumière, ces cristaux peuvent aussi la filtrer – puisqu’ils interdisent certaines longueurs d’onde – et la confiner. Un confinement nécessaire au troisième maillon de la chaîne optoélectronique : la modulation, c’est-à-dire le codage en signaux optiques des informations à transmettre.

Principe de fonctionnement d'un cristal photonique :

Dans un cristal photonique à deux dimensions, le réseau de trous percés verticalement constitue un miroir parfait. La lumière ne peut alors se propager que dans la zone non percée.

Grâce au cristal photonique, il devient donc possible de guider la lumière.

Exemples de cristaux photoniques à 2 dimensions : (image SEM)

a ) Guide d'onde

b) Aiguilleur 1x2

c ) Coupleur

A noter qu'il existe aussi des cristaux photoniques 3D qui permettront de créer des circuits photoniques multicouches (application aux circuits intégrés silicium). Ils sont actuellement en cours de développement.

Les guides d'ondes optiques filaires :

Nous avons vu précédemment que la lumière pouvait être guidée sur des surfaces de silicium grâce au cristal photonique. Mais cette technologie permet également de fabriquer des guides d'ondes optiques filaires, en anglais Photonic Wire Waveguide. C'est-à-dire que la lumière va être propagée sur "un fil" de SOI permettant de mieux la guider => amélioration du facteur de confinement.

Il existe 3 types de guides d'ondes optiques filaires :

- les guides d'ondes rectangulaires

- les guides d'ondes circulaires

- les guides d'ondes triangulaires

Exemple de guide d'onde rectangulaire :

Toutefois, la génération des masques pour ce type de fabrication est très coûteuse. Ces guides d'ondes optiques filaires sont conçus par lithographie électronique et électrochimie.

( source : www-lemm.univ-lille1.fr )