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Actualités scientifiques


29 mars 2016


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 de l’émission des sources optiques fondamentales dans les dispositifs nanométriques, utilisés notamment dans le domaine des télécommunications.


Une cavité optique 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 à l'échelle nanométrique, les chercheurs développent des nano-cavités optiques à base de cristaux photoniques. Ces nanostructures périodiques affectent la propagation des ondes électromagnétiques et aident ainsi à manipuler et stocker les photons 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 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 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 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 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.


© B. Guirao, S.U. Rigaud & F. Bosveld / Institut Curie

© F. I. Baida, Institut Femto-ST/UBFC

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 où apparait une extension : (1), longueur d’onde de résonance déplacée vers le rouge ; ou une compression : (2), résonance déplacée vers le bleu ; en comparaison avec le cas non-couplé : (3), cristal seul sans nano-antenne.

 


Références :

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


Contacts chercheurs :
Fadi Baida - Institut Femto-ST
Thierry Grosjean - Institut Femto-ST

Contact communication INSIS :
Muriel Ilous

 

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