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Intégration sur circuit photonique silicium d'un guide à plasmons de surface localisés

 

Une chaîne de nanoparticules métalliques peut former un guide à plasmons de surface localisés par excitation dipolaire transmise de proche en proche dans la chaîne. Celle-ci forme un guide dès lors que tous les dipôles oscillent de manière collective. Ce type de propagation n'avait été mis en évidence que dans le cas d'une excitation au dessus de la ligne de lumière. Les chercheurs de l'Institut d'électronique fondamentale (IEF - CNRS/Université Paris-Sud) ont démontré théoriquement et expérimentalement qu'il est possible d'exciter un mode à plasmons localisés par couplage avec un guide silicium et de le propager sur plusieurs microns dans le domaine du proche infrarouge.

 

Les plasmons de surface sont des modes électromagnétiques qui confinent l’énergie à la surface d’un métal sur des dimensions sub-longueur d’onde. De ce fait les plasmons de surface sont particulièrement attractifs pour générer des interactions lumière-matière exaltées, voire non-linéaires, à proximité de la surface métallique. Néanmoins, l’interaction de ces modes avec le métal induit des pertes qui peuvent être rédhibitoires pour les applications (circuits photoniques, bio-capteurs, interconnexions optiques). Une solution astucieuse consiste alors à ne générer les modes plasmoniques que localement, là où une fonction particulière, nécessitant une densité d’énergie électromagnétique élevée, est requise. Cela peut être réalisé à partir d’un guide diélectrique transparent dont le rôle est d’acheminer l’onde excitatrice jusqu’au guide métallique et d’exciter un des modes plasmoniques.

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Intégration sur circuit photonique silicium d'un guide à plasmons de surface localisés

 

Figure 1. Schéma d'une chaine de nanoparticules intégrées sur un guide SOI (gauche) ; image MEB de 6 MNP d'or alignées sur un guide SOI de 500 nm de large (centre) ; principe de fonctionnement (droite)

 

 

Lorsque les deux guides se couplent, une oscillation périodique se produit entre eux. Pour des chaînes de 20 ou 50 nanoparticules, le couplage fort induit une distance caractéristique de couplage record de moins de 600nm. En d’autres termes, lorsque les vecteurs d’onde des deux guides sont identiques, il suffit d’une séquence de 4 ou 5 particules pour transférer toute l’énergie propagée dans la chaine [1]. Ces propriétés ont été confirmées par mesure de champ proche en collaboration avec l’université technologique de Troyes. Cela rend possible l’insertion de guides plasmoniques extrêmement courts, sur des circuits photoniques SOI (Silicon on Insulator) déjà très compacts, pour des applications diversifiées telles que les biocapteurs, les pinces optiques ou des fonctions non-linéaires.

 

 

Nanocristaux de silicium aromatiques

Figure 2. Gauche : vue en coupe et profils de l'intensité le long de la structure (simulation FDTD) ; droite : mesures de champ proche (vue du dessus) et profil d'intensité associé (coll. UTT : ICD-LNIO).

 

 

Références

[1] Mickaël Février, Philippe Gogol, Abdelhanin Aassime, Robert Mégy, Cécile Delacour, Alexei Chelnokov, Aniello Apuzzo, Sylvain Blaize, Jean-Michel Lourtioz, and Béatrice Dagens, “Giant Coupling Effect between Metal Nanoparticle Chain and Optical Waveguide,” Nano Letters 2012, 12 (2), pp 1032–1037, DOI: 10.1021/nl204265f.

 

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