LR n°290 : Les BIPs ou comment réfléchir la lumière avec des trous

Les BIPs ou comment réfléchir la lumière avec des trous,
Vincent Berger,
LR, n°290, septembre1996, p.74-79.

MC : BIPs, cristaux photoniques, trous, lumière, photon, électron, miroirs, miroirs de Bragg, réflexion, lasers, structure périodique, bande d'énergie interdite, télécommunications optiques, radars...

Notes : Des schémas explicatifs clairs et simples montrant les structures périodiques. Un encadré expliquant plus précisément ce que sont les miroirs de Bragg.

Contenu : votre Le comportement du photon ressemble un peu à celui de l'électron. Or, ce dernier circule dans des matériaux semi-conducteurs, qui sont des cristaux (silicium...) à structure périodique. Vers la fin des années 80 Eli Yablonovitch (chercheur aux EU) a été le premier à se demander comment reproduire ce genre de structure à "bandes d'énergie interdites" (qui interdisent le passage de certaines fréquences lumineuses, cf 3ème §) qui concernerait, cette fois ci, les photons.

On a nommé ces structures les BIPs (pour Bande Interdite Photonique), plus généralement appelées cristaux photoniques. Ils ont la propriété d'empêcher certaines gammes de lumière de passer, propriété réfléchissante qui peut se montrer très utiles dans certains domaines:

* Emissions d'antennes radars: elles pourraient être mieux dirigées et on réduirait les pertes d'énergie.
* Interconnexions optiques / optoéléctronique: on cherche à obtenir "le laser sans seuil", autrement dit sans pertes, pour lequel tout électron serait convertit en photon utile.

Quel est le fonctionnement des BIPs? On peut pour cela faire une analogie avec les miroirs de Bragg(ensemble de couches transparentes distinctes et superposées de manière périodique), des miroirs de grande précision utilisés en optique. Leur principe est de réfléchir la lumière, quelque soit l'angle incident du faisceau qui rencontre le matériau. Il y a pour cela une condition à remplir: le contraste d'indice entre l'air et le matériau doit être supérieur ou égal à deux. On essaye donc de réaliser des matériaux à structures périodiques se rapprochant de celles des cristaux (l'article présente différentes méthodes). Il y a néanmoins des difficultés quand à la réalisation des petites structures (galeries, gravures, fibres...) qui se détériorent ou se brisent car elles sont fragiles. Il reste donc encore des progrès à faire dans le domaine de la réflexion par les cristaux photoniques. .

Compléments : (donnés par l'article)
*Numéro spécial "Photonic band structures", Journal of Modern Optics, 41, n°2, 1994
*C.Weisbuch et E.Burstein (eds.), Confined electrons and photons: new physics and applications, Plénium, 1994
*J.D.Joannopoulos et al., Photonic cristals. Molding the flow of light, Princeton University Press, 1995
*V.Berger, Matériaux à bande interdite photonique. Etat de l'art, rapport édité par la DRET, 1995.