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Posté par Isabelle le Samedi 18/04/2015 à 00:00
Concentrer et focaliser la lumière dans un nano-dispositif optique
Des chercheurs ont obtenu la super-focalisation d’un champ lumineux dans un nano-dispositif, en intégrant une structure plasmonique, jouant le rôle de concentrateur de lumière, sur un guide d’ondes en silicium. Le confinement extrême de la lumière a pu être observé par une technique de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La...) à champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) proche, développée au laboratoire. Ces travaux, publiés dans la revue Nano Letters, ouvrent de nouvelles perspectives d’applications pour la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences...), la santé, l’information quantique et les télécommunications.

La nanophotonique est l’étude de la lumière lorsqu’elle entre en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) avec des structures nanométriques de taille inférieure à sa longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de...) d’onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.). 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 (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) 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 (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les...) (gauche)

Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de...), les chercheurs du Laboratoire de Nanotechnologies et d’Instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) Optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) (LNIO, CNRS/Université de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de Troyes – Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) 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 (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) électromagnétique (notamment lumineux) et les électrons libres à l’interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner...) entre un métal et un matériau diélectrique (air ou verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium...) 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 (La ville d'Atlanta est la capitale de l'État de la Géorgie, au sud-est des États-Unis. En 2007, Atlanta est une agglomération de...) 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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) 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 (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La dénomination de...), qui joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à...) alors le rôle d’un concentrateur (En général, un concentrateur (en anglais, hub - cette traduction est souvent utilisée en français, mais c'est un anglicisme) est le nœud central d'un réseau...) et génère un point (Graphie) chaud électromagnétique intense et confiné dans les trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) 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 (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support réduit représentant un espace...) de l’amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) locale du champ lumineux autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5...) 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 (Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures, de...) et d'Instrumentation Optique
Rafael SALAS-MONTIEL, rafael.salas@utt.fr
Sylvain BLAIZE, sylvain.blaize@utt.fr


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Source: CNRS/INSIS