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1 - CONTEXTE

2 - INTÉGRATION ET EXCITATION DES STRUCTURES PLASMONIQUES

3 - PLASMONS DE SURFACE DANS LES CIRCUITS PHOTONIQUES : QUELQUES CAS D’APPLICATION

4 - PERSPECTIVES ET ÉVOLUTIONS

5 - GLOSSAIRE

6 - SIGLES ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : RE402 v1

Plasmons de surface dans les circuits photoniques : quelques cas d’application
Circuits intégrés photoniques utilisant la plasmonique

Auteur(s) : Béatrice DAGENS, Giovanni MAGNO

Relu et validé le 26 avr. 2021

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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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ABSTRACT

Photonic Integrated Circuits Using Plasmonics

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.

Points clés

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)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re402


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3. Plasmons de surface dans les circuits photoniques : quelques cas d’application

L’utilisation des plasmons de surface dans les circuits photoniques peut améliorer considérablement certaines fonctions photoniques du fait de l’exaltation du champ et de la concentration de la densité optique à l’échelle sublongueur d’onde. Réciproquement, l’utilisation de guides d’onde pour exciter les structures plasmoniques augmente notablement l’efficacité de couplage de la lumière dans ces structures. Cela est d’autant plus remarquable dans le cas des plasmons localisés qui offrent le degré de compacité maximal. Nous allons présenter cinq exemples d’utilisation de ce type de structures pour des objectifs très différents.

3.1 LSPR pour la biodétection de molécules

Après des technologies basées sur des films d’or fonctionnalisés et des plasmons propagatifs (technologie SPR), les nanostructures plasmoniques à plasmons localisés sont aujourd’hui largement utilisées pour la biodétection, et commercialisées sous forme de réseaux métalliques sur plaque de verre (technologie LSPR). Ces supports sont utilisés dans un système de détection optique 3D composé de prismes et de lentilles. Les nanostructures métalliques sont généralement des plots d’or fonctionnalisés avec des molécules thiolées dont une extrémité est un récepteur pour des éléments précis à détecter, apportés par un système microfluidique. La « lecture » de la puce consiste à analyser la présence ou non de molécules piégées sur ces récepteurs. Elle se fait à l’aide d’un faisceau optique limité par la diffraction, dans la configuration de Kretschmann  pour exciter les plasmons localisés des nanostructures métalliques. Le principe du capteur LSPR (Local Surface Plasmon Resonance) consiste à mesurer le décalage spectral de la résonance plasmonique induit par la présence de l’élément recherché. La sensibilité du capteur est limitée notamment par la puissance optique...

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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.),...

1 Annuaire

http://www.c2n.universite-paris-saclay.fr/fr/recherche/photo/cimpho/

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2 Brevets

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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