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Une introduction aux cristaux phononiques (6)


Photons et phonons

Nous avons mentionné en introduction que les cristaux phononiques ont beaucoup en commun avec les cristaux photoniques. Si les fréquences optiques (de l'ordre de quelques centaines de Terahertz) sont nettement plus élevées que les fréquences acoustiques, il est parfaitement possible d'accorder leurs longueurs d'onde, autour d'une valeur de un micron par exemple. Ainsi, une même microstructure périodique peut être simultanément un matériau à bande interdite photonique et phononique, ce qui conduit au concept du cristal phoXonique (un barbarisme dans lequel le « X » remplace indifféremment un « t » ou un « n »). L'intérêt d'un tel cristal artificiel est de fournir la possibilité de confiner simultanément l'énergie optique et l'énergie acoustique dans un volume extrêmement réduit, dans la perspective d'exalter les interactions entre ces deux types d'ondes.

Section d'une fibre photonique

Section d'une fibre photonique

L'interaction acousto-optique a déjà une longue histoire, puisqu'elle est née au début du siècle dernier. Des modulateurs acousto-optiques sont utilisés dans de multiples applications, notamment pour le balayage de faisceaux laser, à commencer par les effets laser des discothèques ! Mais l'étude des interactions entre ondes optiques et acoustiques dans des microstructures attire de plus en plus l'attention des chercheurs. Par exemple, avec des collègues des Universités de Erlangen en Allemagne et de Campinas au Brésil, nous avons très récemment étudié l'effet Brillouin dans des fibres optiques microstructurées également appelées fibres photoniques. Cet effet, découvert par le physicien français Léon Brillouin en 1922, désigne la diffusion inélastique d'un photon par un phonon. Nous avons identifié certains phonons acoustiques guidés par un coeur solide de dimension micrométrique d'une fibre photonique qui interviennent préférentiellement dans l'effet Brillouin.

phonon acoustique Brillouin

phonon acoustique Brillouin

Une fibre photonique est une fibre optique percée de trous de taille micrométrique qui courent le long de l'axe de la fibre sur des centaines de mètres, voire des kilomètres. L'exemple ci-contre montre la section d'une telle fibre en silice fabriquée à l'Université de Bath en Angleterre et observée au microscope électronique à balayage. Le coeur central de cette fibre optique est l'équivalent d'un barreau de verre d'un diamètre de 1,2 microns, soit le centième du diamètre d'un cheveu. Il a pour fonction de transporter l'énergie lumineuse sur de très longues distances. Comme nous l'avons montré récemment, une telle fibre photonique est également un excellent piège à phonons. L'image ci-contre représente l'énergie d'un phonon acoustique guidé par un effet de bande interdite phononique le long du coeur de la fibre. Un tel phonon est impliqué dans l'effet Brillouin stimulé, un effet acousto-optique non linéaire qui limite la puissance lumineuse qui peut être transportée le long d'une fibre optique et qui a donc un fort impact économique dans le domaine des télécommunications.

Conclusion

Les perspectives de recherche et d’application sont riches, nombreuses et motivantes pour une thématique qui a émergé au début des années 1990. Il peut paraître surprenant qu’une technologie fondée sur les interférences d’onde se déploie si tardivement. Cependant, la quantité de paramètres à traiter nécessite une conceptualisation théorique importante, des programmes de simulation avides en temps de calcul, et enfin des technologies de type « salle blanche » pour réaliser les échantillons. Ce n’est que maintenant que les équipements et connaissances des laboratoires peuvent répondre à ces besoins. Les recherches sur les cristaux phononiques sont encore pour l'essentiel consacrées à l'exploration des propriétés singulières de ces matériaux artificiels et à des démonstrations de principe. Nous parions cependant que les années à venir verront apparaître les premiers composants exploitant les bandes interdites acoustiques pour le traitement de l'information. Sur le plan fondamental, l'exploitation du confinement simultané des photons et des phonons dans les cristaux phoXoniques n'a pas encore livré tous ses secrets et représente une voie privilégiée de recherche.

N'hésitez pas à nous contacter pour plus d'informations ou pour nouer une collaboration autour des cristaux phononiques.

V. Laude, A. Khelif, S. Benchabane