Confinement extrême et tri de photons - Accueil - Comeleclpn.cnrs.fr 03/09/2014 COMELEC, Paris 37/63 Un autre système, les phonons-polaritons Zone du restrahlen: diélectrique polaire

[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 1/63

Confinement extrême et tri de photons

Fabrice Pardo

CNRS-Laboratoire de Photonique et Nanostructures91460 Marcoussis, France


Équipe intégrée MINAO Micro et Nano-Optique

CNRS Laboratoire de Photonique et Nanostructures Jean-Luc Pelouard, 4 permanents

Marcoussis

ONERA Département d'Optique Théorique et Appliquée équipe Conception Innovation en Optique Riad Haïdar, 4 permanents Palaiseau

depuis 2005

~12 thésards et post-doc. communs


Domaines de recherche :

● Optique Quantique et NonLinéaire

● Nanostructures, Gaz d'électrons, Électronique de Spin

● Physique des Hétérostructures et Croissance

● Microfluidique et Nanostructures pour la Chimie et la Biologie

● Microélectronique et Dispositifs Photoniques

● Technologie des Semiconducteurs, des Nanostructures et Analyse

~ 150 p.

http://www.lpn.cnrs.fr/

1000 m2 salle blanches (dont classe 100)Réseau National Recherche Technologique de Base http://www.rtb.cnrs.fr/

CNRS-LPN Laboratoire Photonique et Nanostructures Marcoussis


1000 m2 clean rooms

Projet C2N Centre de Nanosciences et de Nanotechnologie

http://c2n.cnrs.fr/

Paris-Saclay 2017fusion LPN + IEF


Confinement extrême et tri de photons

Fabrice Pardo,Jean-Luc Pelouard, Nathalie Bardou,

Christophe Dupuis, Laurence Ferlazzo

Patrick Bouchon,Riad Haïdar, Julien Jaeck

thèses :Patrick Bouchon, Charlie Koechlin, Benjamin Portier, Paul Chevalier (LPN-ONERA)Simon Vassant (LPN-IOGS)


Motivations

Antennes optiques :

– Confinement d'un faisceau incident à l'échelle nano

Réduction du volume d'interaction pour :

– Réduire le courant d'obscurité

• photodiodes IR

– Réduire les coûts matériau

– Augmenter le rendement énergétique

• photovoltaïque sous concentration gain sur Voptimum

– Augmenter l'intensité du champ

• sensibilité pour la détection chimie, bio

– Créer des fonctions spectrales dans le pixel


Plan

Ingénierie des Ondes Évanescentes– plasmonique– focalisation dans des structures arbitrairement petites

Interlude : résonances phonons-polaritons– volume lambda3 / 100 000

Combinaison de résonateurs sublambda– Tri de photons– Détecteurs ou absorbeurs large bande

Résonateur de Helmholtz optique– Exaltation et confinement extrèmes


Antenne Yagi-Uda

Les antennes

Antenne parabolique

Cable coaxial << λguide d'onde ~ λ

Dimensions comparables à λ

>>λ~λ/2

>>λ>>λ

qq λ


En optique

Taille de spot minimale ~ λ

Lentille ou miroir


Concentration sub-lambda

Coaxial cable << λDipolar antenna ~ λ/2


Concentration sub-lambda

Cable coaxial << λAntenne dipolaire ~ λ/2

fente ~ (λ/2) × (<<λ) [ici @2.4 GHz]

Antenne à fente


Fentes nanométriques absorbantes

Modèle du noir d'or, noir d'argentfentes intergrains, théorie avec un réseau de fentes

Le Perchec et al, PRL 100, 066408 (2008)

Étude facile (mesure de la réflectivité)


Fentes nanométriques absorbantes

Modèle du noir d'or, noir d'argentfentes intergrains, théorie avec un réseau de fentes

Le Perchec et al, PRL 100, 066408 (2008)

Étude facile (mesure de la réflectivité)

Réalisation d'un absorbant IR parfait

P. Bouchon et al,Appl.Phys.Lett. 98 (2011) 191109

d = 2500 nm, h = 2000 nm, w = 150 nm


Réseau de fentes, étude expérimentale

P. Bouchon et al, Appl.Phys.Lett. 98 (2011) 191109

polarisation TM,d = 2500 nm, h = 2000 nm, w = 150 nm

résonance localisée : absorption dans les fentes


Interlude théorique

Optique des métaux (Drude 1900)

Modes plasmoniques (à la Fresnel)

Modes MIM : guide d'onde plan ou plasmons couplés ?


Optique des métaux

ε(λ)= 1−1

( λ p

λ+i γ ) λ p

λ

Au : {λ p = 140 nmγ = 0.005

{ λ p = 2π c /ωp

γ = 1 /(ωp τopt .)

{λ p =2πe √ me

μ0 N=√

πN re

τopt . = 14 fs

τBF =meσ

N e2 = 27 fs = 2×τopt .

Modèle des électrons libres (Drude 1900)

Olmon et al, Phys. Rev. B, 86, 235147 (2012)

re = 2.8 fm(rayon classiquede l ' électron )

+ transitions interbandes dans le visible (l'or est jaune)


Radio vs. Optique

m = 1−1

p

i p

Radio (< 1 THz)

p

≃ 20m [15THz ]

m ≃ i

p

=

2ℑn

s= p

22=10−11m

n= ℑn = coefficient d ' extinction

≃ s

Optique

m ≃−

2

p2 nm ≃ i λ

λ p

≃p

2≃ 25nm Au

Profondeur de peau, décroissance de l'amplitude

nm ≃ (1+i)√ λ2γλ p

Électromagnétisme des métaux : deux situations différentes


Plasmons de surface

k x2= d

2

c2 1− d

−m −1

d

2

c2 ⇒ k z , d2

0

Décroissance exponentielle de part et d'autre de l'interface

Deux ondes planes inhomogènes en polarisation TM

k z , d

d

k z ,m

m

=0

x

z

d

m

H y

r=

k z , dεd

−k z ,mεm

k z , dεd

+k z ,mεm

Fresnel en TM, 3 ondes

Si 2 ondes


Relation de dispersion du plasmon de surface

k x2= d

2

c2 1− d

−m −1

d

2

c2

Deux régimes : localisé par kx et propagatif

x

z

d

m

H y

0 10 200

1

2

3

4

5Dispersion du plasmon de surface

k x

2[m ]

−1

=−1,≈p /2

2 c[m ]

−1

propagatif

localisé


Plasmons de surface, modes localisés

grands kx, grande densité d'états

Vide-métal :

m ≃−1, ≃ p

2,

dd k x

≪c

k x2=

2

c2 1 1m

−1

Observables par perte d'énergie d'un faisceau électronique

0 10 200

1

2

3

4

5Dispersion du plasmon de surface

k x

2[m ]

−1

=−1,≈p /2

2 c[m ]

−1

propagatif

localisé


Plasmons de surface, modes localisés

grands kx, grande densité d'états

Vide-métal :

m ≃−1, ≃ p

2,

dd k x

≪c

k x2=

2

c2 1 1m

−1

Prévus par Ritchie en 1955, violemment contesté par D. Gabor*

Observés en 1959

* invente l'holographie en 1948


H E

k = /c

k /c

Onde plane

Deux plasmons

k = /cOnde plane

k ≫/cPlasmons couplés

Métalparfait :

Métalréel :

Structures plasmoniques Metal-Isolant-Metal

Mode MIM de fort indice effectif


Modes MIM de fort indice effectif

Profondeur de peau optique Au = 25 nm

neff≈nd 1

w Collin et al, Opt. Expr. 15, 4310 (2007)


Absorption dans les sillons d'or = effet entonnoir

F. Pardo et al, Phys.Rev.Lett. 107 (2011) 093902

h = 640 nmw = 56 nmd = 2000 nmw/d = 3 %

résonance localisée : absorption dans les fentes


Mécanisme de l'effet entonnoir

rôle des plasmons de surface dans la propagation de l'énergie ?

Hi, Ei : onde incidenteHe, Ee : champ évanescentHr, Er : onde réfléchie = 0 à la resonance

Vecteur de Poynting S = E×H


Onde incidente


Champ évanescent

0 à l'incidence normale !

`

Les plasmons de surface ne propagent pas ici l'énergie vers le sillon



Interférence magnéto-électrique

Interférence classique E·E

|E1+E

2|2 E

1 · E

2



Interférence magnéto-électrique E×H

(E1+E

2)×(H

1+H

2) E

1 × H

2 + E

2 × H

1


|E1+E

2|2 E

1 · E

2




(E1+E

2)×(H

1+H

2) E

1 × H

2 + E

2 × H

1

- Évanescent × Évanescent- Effet tunnel optique


|E1+E

2|2 E

1 · E

2




(E1+E

2)×(H

1+H

2) E

1 × H

2 + E

2 × H

1


- Incident × Diffracté- diffusion de Mie généralisé par Miyazaki (IEEE JSTQE 2008)


|E1+E

2|2 E

1 · E

2




(E1+E

2)×(H

1+H

2) E

1 × H

2 + E

2 × H

1


- Incident × Diffracté- diffusion de Mie généralisé par Miyazaki (IEEE JSTQE 2008)

- Champ Incident Donné × Champ Evanescent Construit


|E1+E

2|2 E

1 · E

2

IME redirige l'énergie depuis la surface vers le sillon


L'interférence magnéto-électrique

Absorption totale due à la résonance


== ++

Le champ évanescent est construit autour du sillon

La résonance est-elle nécessaire ?


Angle de Brewster plasmonique

longueur d'onde λ = 759 nmangle d'incidence θ = 68.60◦métal = −24.7 + 1.44 ilargeur de fente w = 24 nmpériode d = 96 nmhauteur h = 200 nm

Angle de Breswter Plasmonique sur un réseau de fentes (réflexion nulle)

Pas de réflexion=

effet entonnoir parfait dans les fentes

Métamatériau à l'angle de Brewster


Angle de Brewster plasmonique, interprétations

- Xian-Rong Huang : modèle exotique des plasmons Phys. Rev. Lett. 105 (2010) 243901

Très discutable

- Alù : approche métamatériau Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 123902

Approximation de Maxwell-Garnett

- Mécanisme de l'interférence Magnéto-électrique Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 093902 EPAPS

Pas de résonance


Interlude : une découverte sérendipitique

(Qui n'est pas le fruit d'une créativité programmée ni... financée)


Un autre système, les phonons-polaritons

Zone du restrahlen : diélectrique polaire devient “métallique”

GaAs : autour de 35 µm

L'optique c'est ici plus que l'électronique, les ions bougent


Excitation de phonons-polaritons de surface(collaboration JJ Greffet, IOGS)

Réseau de GaAs (période = 35 µm)

S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett., 97, 161101 (2010)


Excitation de phonons-polaritons de surface

Absorption du rayonnement polarisé TM vers 8.6 THz

S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett., 97, 161101 (2010)


Rappel : fabrication du moule GaAs

Dessin de lignes dans PMMA (résine acrylique, lithographie électronique Leica Vistec EBPG)

Lift-off 70 nm Ni

Gravure RIE-ICP (ionique réactive, induced current plasma O2+HBr)


Une découverte sérendipitique

Un programme achevé (LPN-IOGS)

Le moule d'un autre programme (LPN-ONERA)

“Prête-moi ton moule, que je le passe dans mon FTIR”S. Vassant


Une découverte sérendipitique

Pic d'absorption vers 35.5 µm, modulable

w = 80 nm h = 800 nm d = 2.5 µm

S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett. 100, 091103 (2012) + brevet


Résonateur plasmon-phonons polaritons

Cavité volume lambda3 / 100 000S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett. 100, 091103 (2012)

+ brevet


Retour aux antennes fentes

Occupent une faible fraction de la surface d'or

Sont résonantes (Q ~ 10)

Peut-on les combiner dans un même espace sub-lambda?

OUI


Combinaison de résonateurs sillons

Absorption totale sur une large bande


Combinaison de résonateurs sillons

largeur(nm)

hauteur(nm)

pic(nm)

65 491 3200

19 390 3400

25 460 3600

34 540 3800

49 630 4000

76 720 4200

99 784 4400

200 880 4650


Concentration de l'énergie

λ = 3.200 µm

d = 2.500 µmw = 0.065 µmw = 0.019 µm


Réalisation avec des structures biMIM

C. Koechlin et al, Appl.Phys.Lett. 99 (2011) 241104

“fentes” horizontales


Structure BiMIM

C. Koechlin et al, Appl.Phys.Lett. 99 (2011) 241104

Tri de photons

Absorption totale localisée

Loi de combinaison A = A1 + A2 R = R1 × R2

(probabilité d'échapper)


QuadriMIM non polarisant

P. Bouchon et al, Opt.Lett. 99 (2011) 241104

d = 5.3 µmw = 1.64, 1.78, 1.91, 2.07 µmh

Au = 50 nm

hZnS

= 290 nm


QuadriMIM non polarisant

P. Bouchon et al, Opt.Lett. 99 (2011) 241104

4 canaux indépendants


tri de photons BiMIM

L'interference magnéto-électrique redirige l'énergie


Empilement MIM vertical

P. Chevalier et al J. Nanophoton. 6, 063534 (2012)


Concentration extrême

Peut-on réduire la largeur de fente

tout en couplant ~100% du faisceau incident ?

99.75 % or pur

0.25 % air (cinq sillons 4 nm, espace 1600 nm)

des boites résonnantes derrière

Oui : à 23.94 carats noir à 4 µm


Échelle optique classique

99 % absorptionpolarisation TM


Échelle du champ proche

Focalisation totale à traversune fente 4 nm (λ/1000), hauteur 18 nmdans une boite résonnante 100 nm × 380 nm (λ/10)

Puissance constanteentre deux lignesdu vecteur de Poynting


Pourquoi λ/10 et pas λ/4 ?

Paul Chevalier

résonateur de Helmholtz optique


Pourquoi λ/10 et pas λ/4 ?

Paul Chevalier et al, Appl. Phys. Lett.105, 071110 (2014)

λ = 2π √wb hb

hs

ws

résonateur de Helmholtz optique

1= 2 π√0.10.1 0.0250.001


La boite est purement magnétique...



La boite est purement magnétique...


fonctionnement quasistatique : circuit LC

...la fente est purement électrique


Système indépendant de la polarisation

Paul Chevalier et al, to be published


Exaltation du champ

Couplage purement électrique

Section efficace ~λ

Fente arbitrairement étroite

Exaltation |E/E0|2 ~ (λ/w)2

Malgré un facteur de qualité modéré (10 à 20)

108 @ 200 µm (1.5 THz)

QNR = (1

ℜ(1 /nm)

√wbhb

2(hb+wb))

2/3

(2πdλ

)1/3

ℜ(1 /nm)=γ/2...

avenir brillant !


Conclusion


Nouveau paradigme pour la nano-optique

L'énergie est focalisée par interférence incident × évanescent

Non par la propagation latérale de l'onde évanescente (sauf cas particulier)

Combinaison de systèmes résonnants dans un espace sub-Détecteurs large bande

Détecteurs à réponse spectrale choisie

Tri des photons pour des détecteurs multispectraux et le photovoltaïque

Pas besoin d'antenne collectrice (comme Yagi-Uda or Papillon)

Résonateur de Helmholtz : exaltation 108 dans toute la fente

== ++

Documents

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