Les cristaux photoniques font l'objet d'importantes recherches depuis leur découverte en 1987. Ce sont des microcristaux modelés de telle façon que le comportement de la lumière est contrôlé lors de son passage. En arrangeant un système périodique (dans une, deux ou trois dimensions) dans le cristal, des bandes interdites sont créées, par lesquelles la lumière ne peut pas passer (elle se réfléchit entièrement). Dans cette bande, si l'on crée un défaut, un mode spécifique de lumière est généré qui se propage sans perte. Elle peut ainsi être complètement guidée, emprunter des chemins contraints, et garder sa puissance. Il est alors possible de construire des circuits électro-optiques mille fois plus petits que ceux actuellement utilisés. Imaginez alors que l'on vienne ajouter à cette propriété du cristal photonique celles du niobate de lithium, un matériau particulièrement intéressant parce qu'il change d'indice de réfraction quand on lui applique une onde acoustique ou un champ électrique. C'est aussi un matériau qui présente des effets non linéaires. Il serait alors possible, par exemple, de construire des composants très compacts, dont les bandes interdites changent de façon continue et réversible en fonction de la tension qu'on leur applique. Voilà de quoi répondre aux défis technologiques soulevés par les télécommunications, par exemple.
• Le département d'optique (LOPMD) de l'institut FEMTO-ST possède une longue expérience et un savoir-faire indéniable dans l'utilisation et le façonnage du niobate de lithium, notamment grâce à ses travaux sur des modulateurs optiques pour les télécommunications. Reprenant ces compétences, l'équipe nano-optique Ÿ a entrepris la réalisation de cristaux photoniques en niobate de lithium.
Dur comme le diamant
Malheureusement, les propriétés exceptionnelles de ce cristal s'accompagnent aussi d'une structure cristallographique assez exceptionnelle, qui en fait un matériau dur comme le diamant et particulièrement inerte chimiquement. Usiner du niobate de lithium relève donc de la gageure, et peu s'y sont attelé.
• En prenant les télécommunications comme champ d'application, l'équipe s'est donné comme objectif de construire des structures périodiques dans le niobate, en perçant des trous de 400 nm, espacés entre eux de 700 nm. Cette structure doit se répéter un grand nombre de fois pour qu'une bande interdite se crée. La solution trouvée au laboratoire a été d'utiliser le FIB — Focused Ion Beam — de la plate-forme MIMENTO Ÿ. Un faisceau d'ions de gallium très puissant vient arracher les atomes dans le niobate. Cette technique lente et coûteuse a cependant le mérite de permettre la réalisation de prototypes de cristaux photoniques, en attendant une meilleure solution technologique. À ce titre, un projet européen STREP de trois ans, 3D-Demo, monté en collaboration avec l'école polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) notamment, a démarré fin 2006. Les partenaires doivent regarder la faisabilité d'un dépôt couches minces de matériaux céramiques nanostructurées. Ce programme a été initié dans le cadre du laboratoire européen associé microtechnique Ÿ (LEA).
• La technique par le FIB a toutefois permis de tester la réponse du cristal photonique lorsqu'on lui applique une tension.
Un effet inattendu et prometteur
Quelle n'a pas été la surprise des chercheurs en découvrant que le cristal réagissait avec une amplitude 300 fois supérieure aux prévisions théoriques !
Sans s'en rendre compte, ils ont positionné leur dispositif de telle sorte que la lumière s'est trouvée ralentie dans la bande interdite, exaltant ainsi l'effet Pockels qu'ils voulaient exploiter pour la fabrication d'un modulateur électro-optique ultra compact. Cet effet de lumière lente Ÿ connue depuis des années, a décuplé les espoirs mis dans cette technologie. L'équipe travaille depuis au perfectionnement des cristaux photoniques de niobate, en réfléchissant à des applications telles que les modulateurs optiques, des capteurs de gaz ou un superprisme… en attendant les avancées du projet européen pour la fabrication des cristaux.
Maria-Pilar Bernal
Département d'optique LOPMD
Institut FEMTO-ST (UMR 6174)
Université de Franche-Comté / UTBM / ENSMM / CNRS
Tél. 03 81 66 64 10
maria-pilar.bernal@univ-fcomte.fr
