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La mise au point, par une équipe américaine en 1991, de cristaux photoniques, véritables « cages » à photons constituées de matériaux transparents et permettant une maîtrise parfaite de la propagation de la lumière, a ouvert la voie à un nouveau champ de recherche et à des possibilités d’applications. Ces cristaux pourraient par exemple améliorer les performances des lasers et des diodes électro-luminescentes, ou encore permettre la fabrication de nouveaux types d’antennes embarquées. Cependant, le développement de ces applications se heurte encore à la difficulté rencontrée pour la fabrication de ces matériaux. Il a donc été nécessaire de disposer d’une modélisation théorique et numérique de ces cristaux permettant d’orienter la fabrication vers des cristaux performants. C’est dans ce contexte que l’équipe de Daniel Maystre au Laboratoire d’Optique Electromagnétique (LOE, CNRS-Université d’Aix-Marseille-Université de Provence), à Marseille, a mis au point des outils de modélisation très précis basés sur des théories originales. Ces outils ont permis une appréciation quantitative des propriétés de ces cristaux et ont abouti à la découverte de dispositifs permettant à une source de lumière placée dans un cristal photonique d’émettre dans une direction précise.
Peut-on mettre la lumière en cage en utilisant des matériaux transparents ? Le challenge semble a priori bien difficile à relever ! C’est pourtant la performance que peuvent réaliser les cristaux photoniques. Le cristal photonique est apparu relativement récemment dans la littérature scientifique puisque la première mise en évidence de contrôle parfait de la propagation de la lumière par un cristal photonique ne fut obtenue par E. Yablonovitch (Université de Californie, Los Angeles) qu’en 1991.
Qu’entend-on par maîtrise parfaite de la propagation de la lumière ? Il s’agit de trouver un matériau possédant des bandes interdites de propagation « gaps », autrement dit un matériau qui interdit à la lumière de se propager dans certaines gammes de longueurs d’onde (gaps), et ceci quelle que soit sa direction de propagation. Ce matériau, opaque aux longueurs d’onde interdites, doit redevenir transparent à l’extérieur de ces gaps. En utilisant les cristaux photoniques, on peut par exemple envisager la fabrication de cavités parfaites. Un photon placé dans cette cavité ne pourra s’en échapper, ou de manière plus réaliste sa probabilité d’en sortir sera très faible.
Les applications pratiques de tels matériaux sont du plus grand intérêt. Des cavités laser très performantes pourraient ainsi être produites. Elles éviteraient l’écueil constitué par le seuil d’accrochage du laser, dont l’origine réside dans le phénomène d’émission spontanée de photons par les atomes excités. Ces atomes excités sont les « soldats de base » de la production de la lumière cohérente du laser. Ils peuvent se désexciter si on leur en laisse l’opportunité, en émettant de la lumière dans des modes de propagation inutiles pour l’établissement de l’effet laser. On pouvait penser voici quelques dizaines d’années que le phénomène d’émission spontanée constituait une fatalité de la nature. En réalité, les cristaux photoniques permettent de maîtriser ce phénomène en interdisant l’émission spontanée dans des modes de propagation indésirables.
L’idée de base qui a présidé à l’apparition du cristal photonique est la suivante : des matériaux transparents peuvent effectivement devenir imperméables à la lumière si on les dispose convenablement, et plus précisément de manière périodique dans l'espace, par exemple de la manière indiquée sur la figure 1. Les cercles représentent la section de tiges diélectriques plongées dans l’air. Cette idée de base a germé dans les cercles de la physique du solide. En effet, les équations qui régissent le comportement de la lumière et celles qui décrivent celui des électrons ont de solides analogies et on sait que l’électron peut se trouver piégé dans une structure atomique périodique, autrement dit un cristal. C’est à cette analogie que l’on doit la dénomination de cristal photonique.
Bien que de grands progrès aient pu être réalisés très récemment, la fabrication des cristaux photoniques présente une grande difficulté technologique. La modélisation théorique et numérique de ces cristaux a donc été nécessaire, afin d’optimiser leurs performances et d’orienter les efforts des fabricants vers des structures conformes aux attentes des utilisateurs potentiels. L’équipe de Daniel Maystre au Laboratoire d’Optique Electromagnétique (LOE, CNRS-Université Aix-Marseille 3-Université de Provence), à Marseille, a occupé dans ce domaine une place de premier plan, qui lui permet aujourd’hui de disposer d’outils de modélisation très précis basés sur des théories rigoureuses et souvent originales.
La figure 2, obtenue au LOE, illustre une application possible des cristaux photoniques, le guidage de la lumière. Le cristal photonique, dont la section des tiges est représentée par les cercles rouges, a été creusé par un canal. Lorsqu’il est éclairé (dans sa partie supérieure) par une lumière dont la longueur d’onde est située dans le gap, celle-ci peut se propager dans le guide ainsi formé, sans perdre d’énergie. La figure montre l’énergie lumineuse en chaque point du dispositif en utilisant une échelle de couleurs explicitée dans la partie droite. Un tel guide de lumière semble posséder quelques avantages sur les guides de lumière traditionnels tels que les fibres optiques. En particulier, il devrait être possible de le courber de manière très violente sans engendrer de fortes pertes de lumière.
De nombreuses autres applications des cristaux photoniques sont envisagées, l’une d’entre elles, non des moindres, étant l’amélioration du rendement des diodes électroluminescentes, utilisées aujourd’hui par exemple pour l’élaboration de panneaux publicitaires, de feux de croisement,... La fabrication des cristaux photoniques constitue actuellement le principal obstacle à son utilisation pratique, mais les progrès récents semblent indiquer que l’ère de son entrée dans les technologies modernes n’est plus très éloignée.
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