Cristaux Photoniques sub-longueur d’onde et applications – Sphocya

Ces deux dernières décennies, dans les domaines des ondes électromagnétiques et acoustiques, de nombreux efforts on été déployés afin de créer des matériaux aux propriétés nouvelles. Le but de ces recherches consiste à développer des milieux de propagations qui permettent de manipuler la propagation des ondes à souhait. Ceci inclut le guidage des ondes, leur filtrage, ou encore leur confinement au sein de cavités. Ces diverses formes de contrôle des ondes ont de nombreuses applications par exemple dans les domaines des télécommunications, de la détection, ou encore des lasers, et ces applications peuvent se trouver sur tout le spectre électromagnétique.

Deux grandes familles de matériaux synthétiques on été proposées afin de contrôler les ondes. La première, celle des cristaux photoniques, présente des bandes spectrales sur lesquelles la propagation des ondes est interdite. Ces matériaux tirent leurs propriétés de phénomènes d’interférences, et sont structurés à l’échelle de la longueur d’onde. Il a été montré qu’en modifiant localement ces matériaux, on peut réaliser des composants pour les ondes très intéressants, tels que des guides d’ondes, des cavités, des filtres, ou encore des multiplexeurs. Ces matériaux sont donc riches en termes d’applications, mais celles-ci restent de tailles grandes devant la longueur d’onde.

Plus récemment, le concept de métamatériau a été proposé. Les métamatériaux sont des assemblages de cellules unitaires, généralement résonantes, structurés sur une échelle petite devant la longueur d’onde. Il sont utilisés pour leurs propriétés effectives pour réaliser de la réfraction négative ou encore pour découpler des antennes. Ces matériaux sont étudiés à l’aide d’une approche de « milieu effectif ». Leur propriétés effectives sont couramment attribuées à des effets de couplage champ proche entre les cellules unitaires, et il est communément admis que toute modification locale d’un métamatériau est un potentiel problème. Ainsi, les concepts très intéressants développés dans le domaine des cristaux photoniques n’ont jamais été transposé au domaine des métamatériaux.

Nous avons montré récemment qu’au contraire de ce qui est admis, nombres de métamatériaux tirent leurs propriétés effectives d’un couplage de type champ lointain entre les cellules qui le constituent. Par exemple, en modifiant localement un unique élément d’un métamatériau constitué de fils métalliques résonants, nous avons démontré une cavité de taille très petite devant la longueur d’onde. Ainsi, il est en réalité possible d’utiliser des métamatériaux de période très sub-longueur d’onde comme des cristaux photoniques, et donc de réaliser les mêmes opérations qu’avec ces derniers sur des dimension beaucoup plus petites.

Le but de ce projet est de transposer les concepts révolutionnaires développés dans le cadre des cristaux photoniques aux domaine des métamatériaux. Pour ce faire, nous étudierons dans un premier temps dans quelles limites cette transposition est possible, et en quoi le couplage de type champ proche peut l’empêcher. Puis, lorsque nous aurons ainsi identifié les types de cellules élémentaires idéaux pour notre approche, nous démontrerons qu’il est possible de confiner, guider ou encore filtrer les ondes sur des dimensions bien plus petites que la longueur d’onde en utilisant des métamatériaux localement résonants, mêlant ainsi les propriétés des métamatériaux et des cristaux photoniques. Nous proposerons expérimentalement des applications de nos concepts en micro-ondes, dans les domaines des télécommunications et du radar (antennes, filtres, lignes à retards). Nous caractériserons ces composants afin de comparer leurs performances à celles des technologies existantes. Enfin, d’un point de vue plus fondamental, nous étudierons en quoi le caractère résonant de la cellule élémentaire utilisée influe sur la propagation des ondes en présence de désordre, voir même l’interdit, au travers du mécanisme de la localisation des ondes.