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La nanophotonique (Collection technique et scientifique des télécommunications)

De
349 pages
La nanophotonique donne une vue d'ensemble d'un domaine en pleine émergence où l'on cherche à maîtriser et façonner les champs optiques à des échelles sub-longueurs d'onde. Cet ouvrage fait suite à une école de printemps du CNRS qui s'est tenue aux Houches (France). Il couvre ainsi un large spectre allant des bases physiques des phénomènes sub-longueurs d'onde jusqu'aux aspects technologiques les plus avancés. Les structures telles que les cristaux photoniques et les microcavités y sont présentées en incluant divers aspects de l'optique non linéaire. Les techniques de sonde locale sont analysées de même que leurs applications à la caractérisation de microdispositifs, notamment ceux qui se basent sur la plasmonique. Les thèmes émergents que sont les nanocristaux à semiconducteurs et la nanobiophotonique sont également présentés. Les étudiants et les scientifiques travaillant dans les nanosciences trouveront dans ce livre une source riche d'informations sur un nouveau domaine passionnant.
Avant-propos -J.-M. Lourtioz, C. Delalande, A. Levenson, H. Rigneault. Les cristaux photoniques : de la microphotonique à la nanophotonique -P. Viktorovitch. Les cristaux photoniques bidimensionnels : vers les circuits intégrés photoniques ? A. Talneau. Les fibres photoniques : la micronanophotonique au kilomètre -D. Pagnoux. Boîtes quantiques et microcavités optiques -J.-M. Gérard. Optique non linéaire dans les nano- et microstructures optiques F. Raineri, Y. Dumeige. Non-linéarités optiques du troisième ordre dans les cristaux photoniques -R. Frey, Ph. Delaye, G. Roosen. Contrôle de l'optique de champ proche : enjeu pour les nanotechnologies -F. De Fornel. Optique sub-longueur d'onde : vers la plasmonique -A. Dereux. L'univers confiné des électrons dans les nanocristaux de semi-conducteur -M. Chamarro. Nanobiophotonique -H. Rigneault, P.-F. Lenne. Bibliographies. Index. .
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AVANT-PROPOS
La miniaturisation incessante des composants électroniques au cours des cinquante dernières années nous a habitués au concept de microélectronique, lorsque les dimensions des transistors ont côtoyé le micron, puis aujourdhui à celui de nano-électronique avec lannonce de longueurs de grille de transistor dune dizaine 1 de nanomètres. Il est dailleurs dusage de faire référence à la loi de Moore , loi prédictive selon laquelle la longueur de grille des transistors se réduit dun facteur deux tous les dix-huit mois environ.
Le concept de nanophotonique, sil ne nous surprend pas, reste cependant moins précisément perçu par la communauté scientifique que celui de nano-électronique. Certes, on se rend compte des tailles réduites quont aujourdhui les composants optoélectroniques, tels que les diodes lasers, les modulateurs et détecteurs développés pour les besoins des télécommunications optiques, mais il nexiste pas de loi de Moore de loptoélectronique et la limite la plus habituelle que lon imagine naïvement pour loptique est celle de la longueur donde, cest-à-dire une dimension voisine du micron pour les ondes du visible et du proche infrarouge.
Cest donc bien le propos de cet ouvrage de tenter de donner une vue densemble plus précise dun domaine en pleine émergence, celui de la nanophotonique, où lon cherche à maîtriser et façonner les champs optiques à des échelles dune fraction de longueur donde et même largement sub-longueur donde.
De fait, si la « puce » optique nexiste pas à linstar de la « puce » électronique, les cristaux photoniques entretiennent, depuis peu, un formidable espoir pour lintégration à grande échelle de composants optoélectroniques. Les cristaux photoniques bidimensionnels, obtenus par structuration périodique dun guide
1. G. Moore, fondateur dINTEL.
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optique planaire ont, en particulier, de nombreuses caractéristiques qui les rapprochent des micro- et nanostructures de l’électronique. Dans une vision simple, il suffit d’introduire des défauts de périodicité à des endroits convenablement choisis au sein du cristal pour réaliser les composants optiques que l’on désire (guides, virages de lumière, microrésonateurs, filtres…), et les coupler entre eux en formant ainsi un véritable circuit photonique. Certes, la réalité est plus difficile qu’il n’y paraît, ne serait-ce que par la précision requise dans la fabrication des structures. Dans de nombreux cas, celle-ci est couramment estimée inférieure ou égale à la dizaine de nanomètres, et l’on réalise alors toute la pertinence du parallélisme entre nano-électronique et nanophotonique. Les deux premiers chapitres sont donc principalement consacrés aux cristaux photoniques en optique planaire, faisant écho 2 à d’autres ouvrages récemment parus sur le sujet , tout en se focalisant sur les composants photoniques proprement dits, la dynamique des photons plongés dans le milieu structuré périodiquement et la perspective d’aboutir à des circuits photoniques à haute intégration.
Dans la lignée des cristaux photoniques bidimensionnels, mais s’écartant radicalement de l’optique guidée planaire, le chapitre 3 aborde le thème des fibres à cristal photonique et plus généralement, celui des fibres structurées. Non seulement la propagation de la lumière s’effectue, cette fois, perpendiculairement au plan de structuration périodique, mais la technologie de fabrication, unique en son genre, repose sur un premier assemblage réalisé à une échelle macroscopique, les micronanostructurations finales s’obtenant, dans une seconde étape, par un procédé d’étirage. Il est impressionnant de pouvoir ainsi « dérouler » la micronanophotonique sur des distances de plusieurs kilomètres ! De manière pratique, les fibres structurées et les fibres à cristal photonique ouvrent des perspectives sans précédent pour ce qui concerne le contrôle du mode de propagation en optique fibrée et celui de la dispersion chromatique. En maîtrisant le confinement optique, on peut, par ailleurs, maîtriser à volonté les processus d’optique non linéaire qui peuvent se développer au sein de ces fibres.
Avant même que soient apparues les notions de circuit photonique ou de fibre photonique, il faut se rappeler que les premières études de cristaux photoniques et de matériaux structurés pour l’optique avaient été motivées, au début des années 1980, par le désir de contrôler et même inhiber l’émission spontanée dans les composants optoélectroniques. L’image emblématique largement véhiculée est celle de l’émetteur unique dans une microcavité unimodale, tout photon émis l’étant dans le mode
2. J-M. Lourtioz, H. Benisty, V. Berger, J-M. Gérard, D. Maystre, A. Tchelnokov,Les Cristaux photoniques ou la lumière en cage, Collection Technique et Scientifique des Télécommunications, Hermès, Paris, 2003.
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électromagnétique unique de la cavité. Cela étant, pour que limage puisse devenir à terme une réalité, il a dabord fallu maîtriser la réalisation de nano-émetteurs à létat solide, puis savoir combiner nano-émetteur et microcavité. Le chapitre 4 traite, en particulier, des boîtes quantiques semi-conductrices et de leur association à divers types de microcavités optiques. Le chapitre introduit les notions de couplage faible et couplage fort en microcavité, de même quil fait le point sur les applications aux lasers semi-conducteurs à très faible seuil ainsi quaux micronanosources à « photon unique » destinées à la cryptographie quantique.
La micronanostructuration des matériaux est également riche de perspectives pour dautres composants actifs que sont les composants doptique non linéaire. En effet, il est non seulement possible daboutir à une véritable ingénierie de la dispersion de lindice de réfraction, mais on peut aussi contrôler la dispersion de la vitesse de groupe de même que la localisation du champ électromagnétique. Adapter en phase et en vitesse de groupe des ondes électromagnétiques de fréquences très différentes pour mieux exalter leurs interactions est un exemple dapplication dans le cas de non-linéarités optiques du second ordre. Les chapitres 5 et 6 développent ainsi différents aspects de loptique non linéaire dans des matériaux micro- et nanostructurés tels que la génération de second harmonique, leffet Kerr optique, la propagation de solitons ou le mélange à quatre ondes dégénérées. Après une brève introduction théorique à loptique non linéaire, les différents effets sont illustrés à partir dexpériences conduites très récemment.
Avec le septième chapitre, on aborde franchement le domaine de loptique sub-longueur donde avec les techniques danalyse de champ proche optique. Le caractère sub-λrésulte non seulement des distances mises en jeu entre une pointe et un objet diffractant, mais aussi des ondes évanescentes dont lextension spatiale peut être nettement inférieure à celle de la longueur donde de la lumière. Encore récemment limitée à des cas despèce, lanalyse de champ proche trouve aujourdhui tout son intérêt avec le développement des nanotechnologies et des micronanodispositifs optiques. Après avoir défini la notion de champ proche et rappelé les variantes de microscopie en champ proche, le chapitre 7 illustre ainsi quelques caractérisations récentes de microcomposants semi-conducteurs en optique intégrée planaire.
Les dispositifs métalliques mettant en jeu les plasmons-polaritons de surface ou les plasmons localisés sont aussi des objets de choix pour les études de champ proche, car ces ondes ne sont pas détectables en champ lointain. Le chapitre 8 leur est en grande partie consacré ainsi quà la technique de microscopie optique par effet tunnel. Le couplage entre une onde optique et les charges électriques oscillantes dans un métal est un phénomène connu depuis longtemps et généralement considéré comme parasite, puisque dissipatif sur des longueurs de propagation excédant typiquement la dizaine de microns. Or, là aussi, le développement des micronanotechnologies a permis une relance sans précédent des études avec la
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création dune nouvelle thématique que lon désigne aujourdhui sous le nom de 3 plasmonique. Lexpérience, désormais célèbre, dEbbesen a été lun des éléments déterminants du regain dintérêt pour les ondes plasmons. Plus généralement, la miniaturisation des structures métalliques apparaît comme une voie possible des connexions optiques au même titre que les cristaux photoniques.
De taille plus petite que tous les dispositifs évoqués précédemment y compris les nano-émetteurs à boîte quantique, les nanocristaux semi-conducteurs, formés de quelques centaines à quelques milliers datomes, rentrent dans la catégorie des nano-objets de grand intérêt pour loptique aux petites dimensions. Élaborés par des procédés différents des boîtes quantiques semi-conductrices, les nanocristaux peuvent être incorporés dans des matrices transparentes, comme ils peuvent aussi être greffés à des entités biologiques. Excellents candidats à lémission de « photons uniques », ils servent également de marqueurs biologiques et présentent des applications potentielles à la réalisation de microlasers accordables. Le chapitre 9 nous fait ainsi découvrir les structures des niveaux électroniques et les propriétés optiques de ces nano-objets qui, comme les nanotubes de carbone, restent toujours aussi fascinants pour le physicien.
Traitant également dobjets de petite dimension mais dans un tout autre contexte, le dixième et dernier chapitre de louvrage termine le tour dhorizon de la nanophotonique en abordant le thème interdisciplinaire de la nanobiophotonique. Le mariage de loptique et de la biologie nest certes pas totalement nouveau, car, si la microscopie électronique offre une résolution nanométrique pour étudier les entités moléculaires des cellules, les techniques optiques permettent, pour leur part, une analyse peu invasive, voire non invasive, des cellules vivantes. Le chapitre rapporte notamment les techniques classiques de fluorescence pour la détection dentité moléculaire unique de même que des techniques plus récentes, tirant parti des interactions entre impulsions optiques ultrabrèves et milieux biologiques. Le thème émergent de la nanophotonique vise plus particulièrement à réduire le volume dobservation en deçà de la limite imposée par la diffraction. Le chapitre montre comment atteindre cet objectif en mettant à profit des effets doptique non linéaire ou en utilisant des dispositifs photoniques nanostructurés à proximité des objets biologiques à étudier.
Louvrage, que nous venons de présenter succinctement, a été écrit par des spécialistes reconnus internationalement, chacun dans leur domaine. Il constitue aussi la suite à une première école de printemps du CNRS sur la nanophotonique,
3. T.W. Ebbesen, H.J. Lezec, H.F. Ghaemi, T. Thio, P.A. Wolf, « Extraordinary Optical Transmission through sub-wavelength hole arrays »,Nature, 391, p. 667-669, 1998.
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qui sest tenue aux Houches (France) en juin 2003 et qui a été organisée par les quatre coordinateurs de louvrage. Cest, à notre connaissance, lune des premières fois que sont rassemblés des aspects aussi divers et complémentaires de la nanophotonique. Il serait, sans doute, vain dattribuer un caractère dexhaustivité à louvrage, mais les étudiants et les scientifiques travaillant dans les nanosciences pourront toutefois y trouver une source riche dinformations sur un nouveau domaine passionnant et en pleine expansion.
Jean-Michel LOURTIOZ, Claude DELALANDE, Ariel LEVENSON, Hervé RIGNEAULT
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