Cristaux photoniques et « gaps » de photons - Propriétés et applications

Contrôler les ondes électromagnétiques dans des circuits photoniques comme l’on contrôle les courants électroniques dans les circuits intégrés, tel est l’objectif que l’on peut envisager en exploitant les différentes « facettes » des structures artificielles que sont les cristaux photoniques, depuis les concepts jusqu’aux applications. Les principales notions de base, l’analogie avec les cristaux solides et les modèles théoriques des cristaux photoniques, selon qu’on les suppose infinis ou finis avec la présence possible de défauts de périodicité, ont été discutés dans l’article « Cristaux photoniques et gaps de photons. Aspects fondamentaux ». Ce second article porte sur les propriétés optiques des cristaux photoniques, les méthodes permettant leur élaboration, principalement dans le domaine de l’optique, et les premières applications potentielles des cristaux photoniques dans différents domaines de longueur d’onde.

Les propriétés optiques peuvent être classées en deux catégories, selon que l’on « voit » le cristal de l’intérieur ou de l’extérieur. Cette classification, quelque peu réductrice, ne doit cependant pas être désolidarisée du concept de confinement optique. Nous allons considérer d’abord le miroir à cristal photonique pour une onde lancée depuis un milieu semi-infini et tombant sur le cristal. Nous considérerons ensuite le guide à cristal photonique pour une onde confinée dans un espace uniforme entre deux miroirs à cristal photonique. À cette occasion, nous verrons comment faire tourner la lumière sur des virages à faible rayon de courbure ou comment la filtrer en réalisant un couplage entre guides. Nous retrouverons alors les résonateurs à fort confinement optique, bordés de cristal photonique, en tout ou partie. Nous montrerons enfin diverses propriétés originales des cristaux photoniques lorsque l’on se place dans les bandes permises de propagation au lieu des bandes interdites. Parmi ces propriétés figurent l’ultraréfraction, l’effet de « superprisme » et les propriétés de modulation (micro-onde) ou de non-linéarité (optique) des cristaux photoniques. Nous introduirons, au passage, le concept de métamatériau à indice de réfraction négatif, plus spécifique des cristaux photoniques métalliques.

L’exploitation de ces multiples propriétés, en particulier dans le domaine de l’optique, nécessite de véritables prouesses de la part des technologues. En ce sens, l’évolution de la photonique apparaît semblable à celle que connaît l’électronique avec le développement des nanotransistors et des mémoires à point quantique. Nous décrivons ici les principales techniques d’élaboration des cristaux photoniques avec la structuration 2D et 3D de matériaux aux échelles submicroniques. Les progrès réalisés débouchent déjà sur certaines applications. Les fibres microstructurées en silice sont ainsi en passe d’être le premier « produit » à cristal photonique sur le marché. Concernant les semi-conducteurs, le chemin du concept à l’application a été plus long que prévu, mais des applications potentielles commencent à poindre. Dans le domaine des micro-ondes, les surfaces à haute impédance ouvrent la perspective de schémas nouveaux pour les circuits et les antennes.