Accorder les nano-cavités optiques à base de cristaux photoniques
Publié par Redbran le 31/03/2016 à 12:00
Source:CNRS INSIS
Une nano-antenne "papillon" pour accorder à la demande la résonance d'une nano-cavité optique.

Des chercheurs de l'Institut Femto-ST proposent un nouveau concept permettant d'accorder finement la fréquence de résonance d'une cavité électromagnétique avec un élément unique: une nano-antenne dont la pointe possède une ouverture en forme de papillon. Publiés dans Scientific Reports, ces travaux sont une étape importante vers la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon ceux-ci.) de l'émission des sources optiques fondamentales dans les dispositifs nanométriques, utilisés notamment dans le domaine des télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le terme synonyme officiel «communication...).


Schémas des 2 résonateurs: nano-antenne à ouverture papillon fibrée (a) et cavité à cristal photonique (b). (c) Distributions de l'intensité électrique à la résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à...) où apparait une extension: (1), 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 lacet, sa longueur est celle de l’objet...) 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.) de résonance déplacée vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) ; ou une compression: (2), résonance déplacée vers le bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en...) ; en comparaison avec le cas non-couplé: (3), cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale...) seul sans nano-antenne. © F. I. Baida, Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) Femto-ST/UBFC

Une cavité optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) est un dispositif dans lequel certains rayons lumineux sont susceptibles de rester confinés grâce à des miroirs sur lesquels ils se réfléchissent. En fonction de la forme de la cavité, seules quelques longueurs d'ondes, correspondant à des modes de résonance, y sont présents. Pour contrôler la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) à l'échelle nanométrique, les chercheurs développent des nano-cavités optiques à base de cristaux photoniques (Les cristaux photoniques sont des structures périodiques de matériaux diélectriques ou métalliques conçues pour modifier la propagation des ondes électromagnétiques de la même manière qu'un potentiel périodique...). Ces nanostructures périodiques affectent la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement deux...) électromagnétiques et aident ainsi à manipuler et stocker les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de...) dans de tous petits volumes. Leur fabrication imposant des techniques à la pointe des nanotechnologies, les cristaux photoniques présentent souvent de légers "défauts de fabrication" impactant plus ou moins fortement les propriétés optiques des nano-cavités réelles, et les éloignant ainsi légèrement des prédictions théoriques: la longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) de résonance des nano-cavités à cristaux photoniques observée est par exemple souvent décalée légèrement vers le bleu ou vers le rouge par rapport à ce qui est prédit théoriquement. Accorder de manière très précise et réversible ces nano-cavités est l'un des défis actuels de la nano-photonique. L'un des objectifs visés ici est de pouvoir corriger les propriétés de résonance de la cavité liées aux légères imperfections inhérentes à la nano-fabrication actuelle, en étant capable d'augmenter ou de diminuer a posteriori et à la carte la longueur d'onde de résonance.

L'équipe Nano-optique de l'Institut Femto-ST (CNRS/UFC/UTBM/ENSMM) a développé un concept reposant sur l'exploitation des propriétés de couplage d'une nano-cavité optique à un élément extérieur: une nano-antenne métallique sur pointe qui vient au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en tout point. En revanche,...) de la nano-cavité pour la "perturber" et décaler spectralement sa résonance. La spécificité de cette nano-antenne sur pointe repose sur son ouverture en forme de papillon (ouverture papillon fibrée). Avec cette forme particulière, la nano-antenne présente des propriétés dipolaires, tant électrique que magnétique, simultanées et inédites. Elle peut ainsi interagir de manière contrôlée à la fois avec les champs lumineux électrique et magnétique présents dans la nano-cavité. Sachant que la perturbation sélective de ces deux champs constitutifs de la lumière a des effets opposés sur le décalage de la longueur d'onde de résonance d'une nano-cavité, les chercheurs ont trouvé un moyen simple et nouveau de contrôler la nano-cavité: la longueur d'onde de résonance est ainsi déplacée vers le rouge si l'effet électrique est majoritaire, et vers le bleu dans le cas d'un effet magnétique prépondérant. Les influences respectives des effets électrique et magnétique sont contrôlées simplement en jouant sur la distance qui sépare la nano-cavité de la nano-antenne.

Cette hypothèse a été validée à travers une étude théorique complète. L'équipe de Femto-ST a ainsi obtenu pour la première fois, une accordabilité totale permettant d'augmenter ou de diminuer la longueur d'onde de résonance, en couplant la cavité avec un seul et unique élément. Ce résultat ouvre la voie au contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) post-production des propriétés de résonance de nano-cavités optiques. Il marque une étape importante pour la maîtrise de l'émission des sources optiques intégrées, notamment en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'applications de type télécom. Ils pourraient par la suite être élargis à d'autres types de résonateurs.

Ces travaux sont soutenus par le Laboratoire d'excellence ACTION.

Pour plus d'information voir:
F. I. Baida et T. Grosjean
Double-way spectral tunability for the control of optical nanocavity resonance
Scientific Reports (décembre 2015)
doi:10.1038/srep17907
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