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La nanophotonique est l'étude de la lumière lorsqu'elle entre en interaction avec des structures nanométriques de taille inférieure à sa longueur d'onde. Aujourd'hui, de nombreuses équipes travaillent à la réalisation de dispositifs optiques et optoélectroniques, intégrés sur puce, permettant le guidage et la focalisation de la lumière à l'échelle du nanomètre. Cette fonctionnalité est en effet la clé pour contrôler et exalter l'interaction lumière/matière à l'échelle du photon et de la molécule unique dans un circuit photonique miniaturisé.
© LNIO Schéma tridimensionnel de la structure plasmonique intégrée sur un guide d'ondes en silicium sur isolant (gauche)
Dans ce contexte, les chercheurs du Laboratoire de Nanotechnologies et d'Instrumentation Optique (LNIO, CNRS/Université de technologie de Troyes – Institut Charles Delaunay) réalisent et étudient des nano-structures plasmoniques intégrées sur des guides d'ondes en silicium. La plasmonique cherche à tirer profit de l'interaction résonante obtenue dans certaines conditions entre un rayonnement électromagnétique (notamment lumineux) et les électrons libres à l'interface entre un métal et un matériau diélectrique (air ou verre par exemple). Cette interaction génère des ondes de densité d'électrons, se propageant comme des vagues, appelées plasmons (ou plasmons de surface).
En collaboration avec le groupe du professeur Ali Adibi de l'Institut de technologie de Georgia à Atlanta aux Etats-Unis, l'équipe du LNIO a réalisé un composant constitué d'un nano-prisme en or, à base triangulaire isocèle, placé sur la surface d'un guide d'ondes optiques en silicium, sur un isolant. Quand un champ lumineux est envoyé sur ce dispositif, le mode photonique est converti graduellement en mode plasmonique, et cette transformation s'opère avec très peu de pertes d'énergie. Les plasmons de surface se concentrent au sommet de la pointe du triangle, qui joue alors le rôle d'un concentrateur et génère un point chaud électromagnétique intense et confiné dans les trois dimensions de l'espace.
© LNIO Cartographies expérimentales obtenues par microscopie optique en champ proche sur le concentrateur plasmonique intégré. a) Topographie de la structure obtenue par microscopie à force atomique et b) cartographie de l'amplitude locale du champ lumineux autour du prisme métallique révélant l'effet de nano-focalisation.
Les propriétés de ce dispositif ont été validées par des mesures de cartographie de champ obtenues par microscopie optique en champ proche, une technique dérivée de la microscopie à force atomique et développée spécialement au LNIO. Les chercheurs ont ainsi démontré théoriquement et expérimentalement un effet de nano-focalisation de la lumière grâce à l'intégration d'un concentrateur de champ métallique sur un guide d'ondes optique en silicium.
La nano-focalisation de la lumière dans des dispositifs optiques et optoélectroniques intégrés ouvre des nouvelles perspectives pour des applications telles que les pinces optiques, le contrôle de la température, la spectroscopie renforcée par effet de surface (SERS), la détection de molécules uniques ou encore la réalisation de sources efficaces à photons uniques. Les domaines de la biologie, la santé, l'information quantique et les télécommunications sont particulièrement visés.
Pour plus d'information voir:
Ye Luo, Maysamreza Chamanzar, Aniello Apuzzo, Rafael Salas-Montiel, Kim Ngoc Nguyen, Sylvain Blaize, and Ali Adibi. "On-chip hybrid photonic–plasmonic light concentrator for nanofocusing in an integrated silicon photonics platform".
Nano Letters, 15(2):849–856, 2015.
Contacts:
Laboratoire de Nanotechnologie et d'Instrumentation Optique
Rafael SALAS-MONTIEL, [email protected]
Sylvain BLAIZE, [email protected]