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RÉSUMÉ
Le développement de circuits photoniques intégrés, compacts et multifonctionnels est essentiel pour augmenter la capacité de traitement des signaux tout optiques pour les communications, la gestion des données ou les microsystèmes. La plasmonique apporte la compacité à de nombreuses fonctions photoniques. Cet article fait le point sur les stratégies d’intégration des structures plasmoniques sur des guides d’onde diélectriques, et montre par quelques exemples la diversité et le potentiel applicatif des fonctions plasmoniques intégrées. Une première partie en présente les principes physiques fondamentaux, et la seconde décrit plusieurs exemples de réalisation.
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The development of integrated, compact and multifunctional photonic circuits is crucial to increase the capacity of all-optical signal processing for communications, data management or microsystems. Plasmonics brings compactness to numerous photonic functions. The purpose of this article is to detail the integration strategies of plasmonic structures on dielectric waveguides, and to show through some examples the variety and the application prospect of integrated plasmonic functions. The first section presents the involved fundamental physical principles and the second section describes several examples of realization.
Auteur(s)
-
Béatrice DAGENS : Directrice de recherche CNRS, Centre de nanosciences et de nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France
-
Giovanni MAGNO : Postdoctorant, Centre de nanosciences et de nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France
INTRODUCTION
L’utilisation de signaux optiques pour réaliser des systèmes complexes de calcul, de traitement de l’information ou de réseaux de communication s’avère aujourd’hui incontournable pour répondre au nombre croissant de données échangées. La possibilité de paralléliser les porteuses optiques grâce au multiplexage spectral ou la diversité des solutions d’encodage de l’information font partie des points forts de la solution tout-optique. Les circuits photoniques intégrés (PIC) ont été développés afin de générer des systèmes optiques complets et de simplifier l’utilisation de différentes fonctions optiques allant de la source à la modulation jusqu’à la détection des signaux. En utilisant les techniques de fabrication inspirées de la microélectronique, des circuits à base de guides d’onde planaires ont permis d’atteindre deux objectifs complémentaires : maîtriser la propagation du signal optique dans un système 2D avec des pertes très réduites et faciliter l’association en série ou en parallèle de plusieurs fonctions sans utilisation d’éléments optiques spatiaux. L’optique planaire guidée permet ainsi d’intégrer de manière très compacte des éléments d’optique dont la dimension latérale est de l’ordre de la longueur d’onde dans le matériau.
Les structures plasmoniques peuvent également apporter des fonctions nouvelles dans les circuits photoniques. En concentrant la lumière sur des dimensions sub-longueur d’onde, elles offrent la possibilité d’interactions lumière-matière exaltées. Néanmoins, leur intégration dans les PICs n’est pas immédiate du fait de la différence de caractéristiques des modes guidés et des pertes optiques qu’elles induisent.
L’objet de cet article est, d’une part de faire le point sur les stratégies d’intégration des structures plasmoniques sur des guides d’onde diélectriques, d’autre part de présenter par quelques exemples la diversité et le potentiel applicatif des fonctions plasmoniques intégrées. La première partie rappelle les lois générales régissant l’interaction entre une onde électromagnétique et un métal, puis décrit les principales propriétés des plasmons en optique guidée. La seconde partie est dédiée à plusieurs exemples d’applications et aux ordres de grandeur associés.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles et des symboles utilisés.
Domaine : photonique intégrée
Degré de diffusion de la technologie : émergence
Technologies impliquées : plasmonique, circuits photoniques intégrés, pinces optiques, magnéto-optique, capteur plasmonique, nano-antennes optiques, faisceau électronique
Domaines d’application : communications optiques, traitement des signaux optiques, biocapteurs, laboratoires sur puce, holographie, sources de rayons X
Principaux acteurs français :
– Industriels : PSA, Thalès, Horiba...
Contact : [email protected] ; [email protected]
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KEYWORDS
plasmonics | photonic integrated circuit | electromagnetic wave | coupled waveguides
DOI (Digital Object Identifier)
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Intégration et excitation des structures plasmoniques
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1. Contexte
La plasmonique est un domaine fortement étudié depuis les années 2000 pour sa capacité à concentrer la lumière à l’échelle sublongueur d’onde. Le principe consiste à confiner la lumière sous forme de plasmons-polaritons de surface (SPP pour « surface plasmon-polariton ») : ces quasi-particules résonantes résultent du couplage fort entre une onde électromagnétique et une onde de polarisation électrique portée par les électrons de conduction de surface de certains métaux. Dans l’ordre croissant des fréquences de résonance, le cuivre, l’or, l’argent et l’aluminium présentent des réponses plasmoniques du proche infrarouge (IR) jusqu’au proche ultraviolet (UV). L’onde électromagnétique ainsi « accrochée » à la surface du métal par l’interaction plasmonique présente un profil d’onde évanescente de part et d’autre de l’interface, et contient une très grande densité de puissance optique. La lumière se trouve ralentie et concentrée à l’échelle sub-longueur d’onde à la surface du métal, disponible pour des interactions exaltées avec toute entité ou matériau présents en surface. Les plasmons peuvent être « propagatifs » sur la surface d’un film métallique, ou « localisés » dans des nanostructures de métal. Plusieurs propriétés résultent de leur profil spatial particulier et de leur caractère résonant : la miniaturisation des fonctions optiques, l’exaltation des interactions optiques non linéaires, une forte dépendance spectrale et en polarisation, et donc une forte sensibilité de leur résonance à l’environnement proche. Enfin, la fabrication technologique des films ou structures plasmoniques est compatible avec des procédés bas coût, en un nombre réduit d’étapes et avec une bonne tolérance.
Les freins à l’utilisation des plasmons sont néanmoins de deux ordres : (1) les fortes pertes optiques induites par l’interaction de l’onde avec le métal n’autorisent l’utilisation des plasmons qu’avec parcimonie ; (2) du fait de leur nature polaritonique, les modes plasmoniques guidés appartiennent à une courbe de dispersion nécessairement en dehors du cône de lumière (autrement dit les constantes de propagation de ces modes sont supérieures, voire très supérieures, à celles des ondes électromagnétiques...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PALIK (E.D.) - Handbook of optical constants of solids. - Elsevier (1997).
-
(2) - BOHREN (C.), HUFFMAN (D.) - Absorption and scattering of light by small particles. - Wiley, New York (1983).
-
(3) - BERINI (P.), DE LEON (I.) - Surface plasmon–polariton amplifiers and lasers. - Nat. Photon., vol. 6, p. 16-24 (2012).
-
(4) - TETIENNE (J.-P.), BOUSSEKSOU (A.), COSTANTINI (D.), DE WILDE (Y.), COLOMBELLI (R.) - Design of an integrated coupler for the electrical generation of surface plasmon polaritons. - Optics Express, vol. 19, n° 19, p. 18155-18163 (2011).
-
(5) - CHUANG (S.L.) - Physics of optoelectronics devices. - John Wiley and Sons, Inc, New York, ISBN 10 : 0471109398, ISBN 13 : 9780471109396 (1995).
-
(6) - MAGNO (G.), FÉVRIER (M.), GOGOL (P.), AASSIME (A.),...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
http://www.c2n.universite-paris-saclay.fr/fr/recherche/photo/cimpho/
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N° : FR1650304A : Application FR3046829A1 (2016)
Dispositif d’éclairage à guides de lumière couplés à des moyens d’émission de photons ; Inventeurs : Benjamin Leroy, Yida Wen, David Barat, Béatrice Dagens
N° : WO2014106584A1 ; International Application n° : PCT/EP2013/077258 (2013)
(EN) Holographic Signalling System Comprising A Unit for Generating at Least One Holographic Image
(FR) Système de signalisation holographique comprenant une unité de génération d’au moins une image holographique ; Inventeurs : Bernard Bavoux, David Barat, Yida Wen, Béatrice Dagens
N° : WO2013057444Al ; International Application n° : PCT/FR2012/052390 (2011)
(EN) Magneto-plasmonic Element with Modified, Enhanced or Reversed Non-reciprocity, Component Incorporating Such Elements, and Method for Producing Same
(FR) Élément magnéto-plasmonique à non-réciprocité modifiée, exaltée ou inversée, composant intégrant de tels éléments, et procédé de fabrication ; Inventeurs : Béatrice Dagens, Mathias Vanwolleghem, Liubov Magdenko, Robert Megy, Philippe Gogol, Mickael Février
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