Des photons qui vivent 100 fois plus longtemps dans une nanocavité

9 novembre 2012

FOTON - UMR 6082 , PhLAM - UMR 8523 , LPN - UPR 20

Des physiciens ont multiplié par 100 la durée de vie de photons stockés dans une nanocavité en ralentissant d’autant leur vitesse de propagation grâce à l’association d’une dispersion non linéaire et d’oscillations cohérentes de population électronique.


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Les méthodes de nanofabrication actuelles permettent de réaliser des nanocavités qui stockent les photons de manière très satisfaisante. Ce temps de stockage est toutefois limité par l’absorption résiduelle de la lumière par le matériau composant la cavité, par les imperfections de fabrication ou encore les limites intrinsèques du design. Des physiciens du Laboratoire de Photonique et de Nanostructures - LPN (UPR20 - CNRS) en collaboration avec le laboratoire FOTON (ENSSAT - Univ. Rennes 1 - CNRS - INSA Rennes) viennent de démontrer expérimentalement une nouvelle méthode permettant d’augmenter considérablement la durée de vie des photons dans une nanocavité en créant dans le résonateur une très forte dispersion chromatique grâce à des interactions non linéaires. En contraste des méthodes utilisées jusqu’à présent, cette méthode est robuste et ne présente pas de dépendance critique au désaccord de la fréquence lumineuse avec celle du résonateur. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.

Les physiciens ont réalisé une cavité optique dans une membrane d’InP (semi-conducteur en Phosphure d’Indium) épaisse de 262 nanomètres à laquelle est adjointe une hétérostructure à 4 puits quantiques et faiblement couplée à une fibre optique. Le facteur de qualité de la cavité, de l’ordre de 4000, résulte de la combinaison en parts comparables de pertes radiatives et d’absorption de la lumière par le matériau semi-conducteur. Avec ce système, deux interactions se combinent pour créer une forte dispersion optique. L’oscillation collective de la population électronique couplée à la lumière entraine une augmentation de la transmission des photons dans une gamme de fréquence et introduit ainsi une dispersion abrupte de l’indice de réfraction. Les photons se trouvent ainsi fortement ralentis. Un effet de dispersion non linéaire dû à la présence des puits quantiques introduit un « ralentissement critique » supplémentaire. La conjugaison de ces deux effets ralentit la vitesse de propagation de la lumière d’un facteur 100. Les mesures effectuées montrent qu’il en résulte l’augmentation de deux ordres de grandeur de la durée de vie des photons et la diminution équivalente de la largeur spectrale du mode de cavité.

: Nanocavité à 3 trous manquants réalisée dans une membrane de cristal photonique contenant au centre 4 puits quantiques où les interactions non linéaires sont produites

: Augmentation de la durée de vie des photons en fonction de la puissance produisant la réponse non linéaire.

En savoir plus

Nanocavity Linewidth Narrowing and Group Delay Enhancement by Slow Light Propagation and Nonlinear Effects, F. Grinberg¹, K. Bencheikh¹, M. Brunstein¹, A. M. Yacomotti¹, Y. Dumeige², I. Sagnes¹, F. Raineri¹, L. Bigot³ et J. A. Levenson¹ Phys. Rev. Lett. 109, 113903 (2012)