Micro-nano structures à base de cristaux photoniques pour le contrôle 3D de la lumière

3D control of light can be realized, at the wavelength scale, in photonic integrated circuits. The building block used in this study is the photonic crystal slab, which enables an in-plane as well as out-of-plane control of light, thanks to its peculiar dispersion properties. Especially at the gamma point of the dispersion curve, slow Bloch modes can be used to realize vertical emitting devices. In this study, we focus on photonic crystals based on micropillar lattices, as an alternative to classical hole lattices. Besides, micropillar lattices can be seen as a new platform for sensing applications and microfluidic circuits. Indeed, fluids can flow through the micropillar. First, we will describe some devices which operate at Gamma point. We will show that, for the first time, the use of highly resonant Bloch modes allow the experimental demonstration of vertical emitting microlasers. Weakly resonant Bloch modes can be used to realize photonic crystal mirrors and Fabry-Perot microcavities constituted only by photonic crystal mirrors. High quality factors (>10000) obtained in such microcavities allow the fabrication of a new type of VCSEL. In a second part, we will focus on the communication between the photonic crystal devices and the surroundings. First, we will explain how the far field pattern can be optimized. At last, we will study the coupling between a photonic crystal structure and a silicon strip waveguide. We show that simulation results give high coupling efficiency (>90%). The samples, fabricated at the LETI-CEA (Grenoble), are still under process.Le contrôle 3D de la lumière est réalisé, à l'échelle de la longueur d'onde, dans des circuits photoniques intégrés. La brique élémentaire choisie dans cette étude est le cristal photonique (CP) membranaire qui, par ses propriétés de dispersion, permet un contrôle de la lumière à la fois dans le plan (optique guidée) et hors du plan (dispositifs adressables par la surface). En particulier, l'exploitation de modes de Bloch situés au point Gamma de la courbe de dispersion (k//=0) permet l'émission de la lumière dans la direction verticale. Dans cette étude, nous nous sommes focalisés sur des cristaux photoniques à réseaux de micropiliers, comme alternative aux réseaux de trous, mais également en envisageant la possibilité d'intégrer ces structures dans des systèmes microfluidiques, les fluides ayant la capacité de circuler au travers des réseaux de piliers. Nous décrirons dans une première partie, des dispositifs à CP à émission par la surface. Nous démontrerons, pour la première fois, que l'utilisation de modes fortement résonants permet de réaliser des microlasers à réseaux de piliers en InP. Les modes faiblement résonants peuvent être utilisés pour la réalisation de miroirs à CP et de microcavités Fabry-Pérot constituées uniquement de tels miroirs. Les facteurs de qualité obtenus (>10000) rendent possible la fabrication de nouveaux types de VCSEL. Dans une seconde partie, nous nous intéresserons à la problématique de l'intégration de ces dispositifs dans un circuit photonique 3D. Tout d'abord, nous expliquerons comment il est possible d'optimisation le diagramme de rayonnement des composants. Ensuite, nous étudierons le couplage de dispositifs à cristaux photoniques avec un ou deux guides d'onde ruban en silicium. De fortes efficacités de couplage sont obtenues en simulation FDTD 3D (95%). Ces dispositifs en cours de fabrication en collaboration avec le LETI-CEA de Grenoble permettront de démontrer expérimentalement ce couplage