optique - Femto-ST

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
LES ACTIVITES EN
«OPTIQUE»
Introduction
Ce livret comportant 20 fiches résume les
activités de recherche en Optique et
Photonique menées entre 2003 et 2006 au
sein des quatre équipes du Département
d’Optique P.M. Duffieux:
Equipe Nanométrologie et Microsystèmes
pour les Sciences du Vivant (NMSV) :
OP1. Mesure
de
position
subpixel
applications aux sciences du vivant
OP2. Microsystèmes pour la Fécondation In
Vitro
OP3. Bio-Lab on chip pour la détection de
gaz ou d’odeurs : le Bio-nez
OP4. Sonde optique pour la détection des
allergènes
OP5. Applications des continua de lumière
blanche en biologie : microscopie de
fluorescence et spectroscopie de
temps de vol
OP6. Spectro-tomographie
optique
de
cohérence :
développement
d’une
sonde optique miniaturisée pour le
diagnostic des lésions cutanées en
temps réel
Equipe Nano-Optique et Champ Proche
(NOCP) :
OP7. Etude de l’émission, de la détection et
de l’effet de pointe (linéaire + non
linéaire) obtenus avec une sonde
champ proche
OP8. Nano-émetteurs/collecteurs pour la
nano-optique
OP9. Nanostructures métalliques
OP10. Cristaux photoniques en niobate de
lithium
OP11. Fabrication et instrumentation pour la
nano-photonique
Equipe Optique Non Linéaire (ONL) :
OP12. Imagerie non linéaire et quantique
OP13. Solitons spatiaux et guides photoinduits
OP14. Amplification paramétrique sur fibre
optique pour les télécommunications à
haut débit
OP15. Sources laser à fibre de nouvelle
génération
Equipe Optoélectronique (OPTO) :
OP16. Composants photoniques
OP17. Dynamiques non linéaires
OP18. Optique ultrarapide
OP19. Cryptage par Chaos
OP20. Cryptage Quantique
Nous avons choisi, au niveau de FEMTO-ST,
d’organiser les différents livrets de manière à
permettre au lecteur de se forger une opinion
sur
la
composition
et
la
cohérence
scientifique
des
futurs
départements
souhaités pour la période quadriennale 20082011 (cf. le chapitre Prospective de FEMTOST dans le document de synthèse). Compte
tenu de ce choix, il convient de rajouter 3
fiches supplémentaires au bilan d’activités de
l’Equipe Nano-Optique et Champ Proche. Ces
fiches correspondent aux travaux menés en
micro-optique et en microsystèmes MOEMS :
MN3. Microcapteurs
opto-mécaniques
résonnants pour la métrologie in situ
de Microsystèmes
MN4. Métrologie hors plan des MEMS par
interférométrie de Twyman Green
MN5. Système de détection basée sur la
réinjection optique dans une cavité
VCSEL pour la microscopie à sonde
locale
La poursuite de ces activités étant en
cohérence et en synergie avec la charpente
pluridisciplinaire du Département Micro Nano
Sciences et Systèmes dont la création est
proposée, ces trois fiches sont donc
répertoriées au sein du livret préfigurant ce
futur Département.
Enfin, dans chaque fiche, la production
scientifique principale est référencée selon la
liste 2002-2005 donnée dans le bilan
quantitatif, ou fait état de quelques
publications
plus
récentes
ou
particulièrement significatives.
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
OP7 – Etude de l’émission, de la
détection et de l’effet de pointe
(linéaire + non linéaire) obtenus
avec une sonde champ proche
(dép. Optique, NOCP)
chimique, recouverte d’une fine couche
métallique et munie d’une ouverture à son
extrémité.
Les
paramètres
de
la
modélisation,
donnés
sur
le
schéma,
correspondent à des valeurs expérimentales.
Résumé
Objectif du projet :
La sonde classique d'un microscope optique
en champ proche est une fibre optique taillée
en pointe dont il faut connaître avec la plus
grande précision possible les caractéristiques
d’émission ou de détection. Placée à quelques
nanomètres de la surface de l'objet à
analyser, cette sonde capte le champ proche
électromagnétique et l'achemine vers un
détecteur situé en champ lointain. Le champ
proche est majoritairement composé d'ondes
évanescentes.
Celles-ci,
contenant
l'information sur les détails fins de l'objet, ne
peuvent
se
propager
seules
jusqu'au
détecteur (oeil ou appareil de mesure). La
sonde fine sert donc de collecteur local de ces
ondes. L'image de la surface de l'objet est
alors
reconstituée
par
ordinateur
en
attribuant la valeur de l'intensité lumineuse
détectée à chaque position de la sonde. Un
asservissement de la distance entre la sonde
et l'objet est souvent utilisé pour éviter les
problèmes de contact de la sonde avec la
surface.
Personnes impliquées :
Fadi Baida (PR, 30%), Brahim Guizal (MC,
10%), Daniel Van Labeke (PR 50 %) Yves
Pagani (DOC, 100%), Abderrahmane Belkhir
(DOC, 100%), Thierry Laroche (DOC, 100 %)
Dans ce cas où la sonde est métallisée à
l’argent, la dispersion du métal est décrite
par un modèle de Drude qui est directement
intégré dans l’algorithme FDTD. L’originalité
de ce travail réside dans le fait que le calcul
est effectué sur une très grande zone (ici
21x40µm2) de l’espace faisant intervenir des
interactions avec des objets de dimensions
très différentes (partie conique de quelques
dizaines de microns et extrémité de quelques
dizaines de nanomètres). Ce calcul a été
rendu accessible sur des ordinateurs de
bureau par l’implémentation d’un maillage
non uniforme permettant une très bonne
description de l’objet.
De la même façon, nous avons modélisé une
expérience réalisée à l’EPFL et qui consistait à
tirer avantage de l’excitation d’une résonance
de type plasmon afin d’exalter l’émission
d’une pointe de microscope champ proche.
Comme le montre la figure ci-dessous, une
bille en or de diamètre 60nm a été fixée à
l’extrémité de la sonde.
Collaborations :
IEF Orsay, ESPCI Paris, EPFL Lausanne,
Institute of Optics, Rochester USA.
Soutiens financiers :
Pôle de Compétences en Nanosciences Grand
Est
Description des travaux et
résultats obtenus
La
première
image
présente
la
modélisation FDTD 2D d'une sonde de
microscope optique de type SNOM (en
émission). Cette sonde est une fibre optique
monomode taillée en pointe par attaque
Nous avons modélisé cette expérience et
démontré une exaltation de l’intensité
lumineuse transmise d’un facteur 100 en
champ proche et 10 en champ lointain. La
réponse temporelle du signal champ proche
est représentée sur la figure. La courbe en
pointillé correspond à l’impulsion injectée
dans la fibre alors que le signal détecté en
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
bout de pointe à 5nm de la bille d’or est
représenté par la courbe en trait continu.
L'effet de pointe, quant à lui, conduit
généralement à un confinement du champ
électromagnétique au niveau de l'apex de la
sonde. Ce confinement est très important
pour beaucoup d'applications en champ
proche, par exemple la détection de molécule
unique par augmentation de l'effet Raman
stimulé, la nano lithographie ou encore
l'exaltation de la génération du second
harmonique
en
bout
de
pointe.
L'interprétation physique de ce phénomène
n'est pas encore complètement éclaircie. Une
étude théorique complète est nécessaire pour
déterminer l'influence de la nature du métal,
le rayon de courbure de l'apex et le couplage
sonde objet. Certains groupes de recherche
ont réalisé des expériences d’optique non
linéaire en champ proche en utilisant l’effet
de pointe. Pour notre part, nous nous
sommes intéressés à la génération du second
harmonique
(SHG :
Second
Harmonic
Generation). Un exemple de calcul est donné
sur la figure ci-dessous où on a obtenu une
exaltation d’un facteur 2 de la composante
axiale du champ électrique linéaire à
proximité de l’apex d’une sonde en or de
rayon 50nm (calcul FDTD en coordonnées
cylindriques et maillage non uniforme).
Pour décrire la génération du second
harmonique par des nanostructures nous
avons employé deux approches théoriques.
La première est la méthode de Rayleigh
perturbative déjà employée largement dans
notre équipe pour modéliser de façon efficace
les expériences de microscopie optique en
champ proche. Cette méthode permet de
déterminer les champs diffractés par des
structures périodiques de faible hauteur (1020 nm). Nous avons adapté cette méthode
pour
décrire
des
matériaux
noncentrosymétriques dont la génération du
second harmonique est induite par des
termes dipolaires de volume en χ(2), puis
nous avons étudié des métaux, centrosymétriques, dont la génération du second
harmonique est assurée par des termes
quadrupolaires de volume ou dipolaires de
surface. La méthode perturbative est
relativement facile à programmer et elle
fournit des résultats avec un encombrement
mémoire faible et un temps de calcul
minimum. Elle nous a permis de modéliser la
SHG par des réseaux de plots submicroniques
étudiés à l’ESCPI ou à l’IEF.
Pour des objets de plus grande hauteur,
nous avons adapté la méthode FDTD à la
génération du second harmonique. Un terme
source non linéaire et ajouté aux équations
de Maxwell est intégré au schéma de
discrétisation de la FDTD. Comme exemple
significatif d’application nous montrons un
exemple
de
génération
du
second
harmonique à l’extrémité d’une sonde STM
éclairée par un faisceau gaussien très focalisé
(figure ci-dessus à droite). L’intensité du
second harmonique émis par l’apex de la
pointe suit les variations de la puissance
quatrième de la composante longitudinale du
champ incident sans la pointe. Ce résultat,
présenté par la courbe rouge ci-dessus, est
conforme aux résultats expérimentaux du
groupe de Novotny à Rochester.
Production scientifique
2 publications dans des revues à comité de
lecture (O35, O104), 3 autres conférences,
dont : O388, O418.
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
OP8 – Nano-émetteurs/collecteurs
pour la nano-optique (dép.
Optique, NOCP)
Résumé
Objectif du projet :
La sonde locale est par principe l’élément clé
dans l’acquisition d’images par microscopie
optique en champ proche. Elle définit à elle
seule le pouvoir résolvant du microscope et la
nature de l’information collectée. Les besoins
actuels
concernant
ces
sondes
sont
d’optimiser leurs rendements énergétiques
(mode émission ou collection), de leur
associer une fonction précise vis-à-vis du
champ émis ou collecté et de solutionner les
problèmes inhérents à leur utilisation au
voisinage d’un échantillon. Notre équipe
développe une activité croissante dans la
réalisation de nouvelles nanosondes pour la
nano-optique afin de répondre à ces besoins.
Personnes impliquées :
Thierry Grosjean (CR, 80%), Fadi Baida (PR,
10%), Brahim Guizal (MC, 10%), Daniel
Courjon (DR 50 %) Daniel Charraut (CR,
20%), Miguel Suarez (DOC, 100%), Audrey
Fahys (DOC, 50%), Yannik Poujet (DOC, 50
%)
confinés non diffractants) à partir de
faisceaux laser polarisés radialement.
Les études théoriques ont prédit que le
microscope à pointe virtuelle fournit des
résolutions d’environ un cinquième de
longueur d’onde (<100 nm) pour une
distance sonde/échantillon 25 fois supérieure
à
celles
des
microscopes
SNOM
conventionnels. Deux dispositifs originaux ont
été développés pour réaliser une pointe
virtuelle : un prototype axiconique et un
système focalisant générant des faisceaux de
Bessel plasmoniques.
Coupe longitudinale
d’une pointe virtuelle
Collaborations :
CEM2 Montpellier, Univ. Münster, Allemagne
Soutiens financiers :
ANR Blanc TERASCOPE (obtenue en 2006)
Description des travaux et
résultats obtenus
Pointe virtuelle, faisceaux de Bessel :
Ce travail consiste en l'étude théorique et la
mise en oeuvre expérimentale d'un tube
lumineux non divergent, de largeur sublongueur d'onde, permettant d'illuminer un
échantillon à des distances très supérieures
aux distances généralement rencontrées en
microscopie à sonde locale ou à immersion
solide. Cette pointe virtuelle peut jouer le
rôle de source lumineuse non radiative
permettant
d'envisager
le
premier
microscope en champ proche opérant en
zone de découplage sonde/échantillon. La
solution est basée sur la mise en œuvre de
faisceaux de Bessel évanescents (faisceaux
2.7*2.7 µm2
Image par microscopie à
pointe virtuelle de deux
points nanométriques
distants de λ/5 (simulation)
Relief généré par une
pointe virtuelle sur une
résine photosensible
(expérience)
Emetteurs/collecteurs polarisants :
Ce travail vise à l’étude et au développement
de nanosondes polarisantes fonctionnant en
mode émission ou collection.
Une première structure consiste en une
cavité coaxiale interrompue en deux points
diamétralement opposés. Elle est supposée
être gravée à l’extrémité d’une sonde locale
métallisée. Des études théoriques par
méthode FDTD (Finite Difference Time
Domain) ont montré que l’asymétrie d’une
telle structure lui confère des propriétés
polarisantes dans le plan perpendiculaire à
l’axe de la pointe et parallèle au plan moyen
des futurs échantillons à analyser.
Le
second
système
est
une
résine
photosensible autodéveloppante (PMMA-DR1)
déposée en couche mince sur un substrat
plan.
Nous
avons
démontré
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
expérimentalement à travers son insolation
par des faisceaux de Bessel que la
modulation de surface photo-induite est
proportionnelle au module au carré de la
composante
longitudinale
du
champ
électrique
excitateur,
c’est-à-dire
perpendiculaire au plan moyen de la couche
de polymère.
Schéma de la cavité
coaxiale polarisante
Cartographie de l’intensité
du mode propre de la cavité
Courbe de transmission de la structure en
fonction de l’angle azimutal de polarisation d’une
onde plane incidente
(a) : simulation du module au carré de la
composante longitudinale du faisceau de Bessel
polarisé radialement illuminant la résine ; (b) :
topographie de la résine insolée ; (c) : profils des
images (a) et (b).
Une couche de polymère PMMA-DR1 peut
donc jouer le rôle de photodétecteur à très
haute résolution du champ électrique
lumineux longitudinal au voisinage de nanoobjets.
sans fil se sont basées sur l’utilisation
d’antennes émettant ou recevant des ondes
radios. Nous proposons ici de transposer le
concept d’antenne à l’échelle de l’optique du
visible. Dans ce cas, la réduction des échelles
impose
la
réalisation
de
structures
submicroniques baptisées nano-antennes.
Les nano-antennes ont ici pour but de jouer
le rôle de relais entre les espaces champ
proche (nano-sources et nano-collecteurs) et
champ lointain (ondes propagatives) pour
l’émission ou la collection localisée de
lumière.
Notre objectif est de trouver les géométries
de nano-antennes permettant
d’optimiser
leurs rendements en émission ou collection
ou de leur attribuer une sélectivité vis-à-vis
du
champ
électromagnétique
vectoriel
qu’elles rayonnent ou collectent (propriétés
polarisantes, sensibilité au champ électrique
ou magnétique, etc.).
La première réalisation développée au sein de
notre équipe est une nano-antenne annulaire.
Une étude théorique et numérique par
méthode FDTD nous a permis de mettre en
évidence sa sensibilité au champ magnétique
et ses propriétés polarisantes. La fabrication
de nano-anneaux métalliques a été menée
par gravure ionique (FIB) à l’extrémité de
sondes locales fibrées. La caractérisation de
ces antennes
a été réalisée en mode
collection en utilisant des faisceaux de Bessel
comme objet-tests. Cette étude a permis de
confirmer expérimentalement que la nanoantenne annulaire peut collecter de façon
privilégiée le champ magnétique optique.
Nano-antenne annulaire
usinée
par
FIB
à
l’extrémité d’une fibre
taillée en pointe.
Conclusion et perspectives
Production scientifique
Les prolongements de ces travaux font appel
au concept nouveau de Nano-antennes : De
la première radio au plus avancé des
téléphones mobiles, les télécommunications
5 publications dans des revues à comité de
lecture (O2, O19, O114, O115, O149), 1 acte
de congrès, 4 autres conférences, dont :
O229, O387, O414, O415.
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
OP9 – Nanostructures métalliques
(dép. Optique, NOCP)
Résumé
Objectif du projet :
La plupart des structures photoniques à
bandes interdites sont réalisées en matériaux
diélectriques transparents. Cependant, on
peut exciter sur une interface métallique un
mode propre résonnant, nommé plasmon de
surface (PS). Ce PS peut être excité avec des
longueurs d’onde visibles ou dans le proche
infrarouge, son champ électrique a une
grande amplitude et il peut se propager sur
des distances assez importantes malgré les
pertes dues au métal (plusieurs mm sur
l’Argent dans le proche infrarouge).
Aussi plusieurs groupes ont réalisés des
expériences préliminaires démontrant la
possibilité d’une optique plasmonique. Des
miroirs, des interféromètres, des cristaux
photoniques planaires ont été réalisés. C’est
dans ce contexte que se placent nos travaux
qui ont été initiés à Besançon par des études
théoriques
pures,
suivis
par
des
modélisations d’expériences effectuées à
l’extérieur et enfin, plus récemment, par la
réalisation
de
nanostructures
et
leur
caractérisation expérimentale à Besançon.
Personnes impliquées :
Fadi Baida (PR, 30%), Daniel Van Labeke
(PR, 50%), Jérôme Salvi (MC, 100%),
Brahim Guizal (MC, 60%), Maria-Pilar Bernal
(CR 20 %) Yannik Poujet (DOC, 50%),
Matthieu Roussey (DOC, 40%), Y. Pagani
(DOC, 50%), Davy Gérard (Post-Doc 05-06,
100 %)
Pour valider nos calculs et tester la précision
de nos résultats, nous employons à Besançon
deux méthodes de calculs fondamentalement
différentes. Un code FDTD développé à
Besançon avec PML et maillage progressif
permet
d’étudier
toute
nanostructure
métallique avec un espace mémoire et des
temps
de
calculs
raisonnables.
Nous
disposons également d’un code RCWM, avec
amélioration de Lie, qui permet de traiter
encore plus efficacement des structures
périodiques 1D et 2D.
Résultats obtenus
En collaboration avec un groupe de Dresde,
nous avons modélisé des expériences de
réflexion de PS. Il s’agissait de quantifier les
propriétés de réflexion et de transmission
d’un miroir à PS réalisé en gravant un trait
dans la couche de métal. L’accord théorie
expérience est très bon.
a)
b)
Collaborations :
LASMEA Clermont-Ferrand, IEF Orsay, EPFL
Lausanne, Univ. Dresde Allemagne
Soutiens financiers :
Pôle de Compétences en Nanosciences Grand
Est, REX Européen NEMO,
ANR Blanc MAGNETO-PHOT (obtenue en
2006)
ANR PNANO POEM (obtenue en 2006)
Description des travaux
En nano-optique, les métaux réels posent aux
théoriciens
de
difficiles
problèmes
de
convergence à cause de la dispersion de la
constante diélectrique et des pertes.
Fig. 1 : (a) configuration de Kretschman pour
exciter un PS sur un film d’Ag présentant un
trait gravé servant de miroir.(b-c) réflexion et
transmission du PS
Une étude très importante a été consacrée
« aux tamis à photons », c'est-à-dire à la
transmission exaltée à travers un réseau
d’ouvertures sub-microniques percées dans
un film métallique. Nous avons proposé une
nouvelle structure de tamis à photons qui
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
devrait permettre une transmission fortement
exaltée : elle est constituée de cavités
coaxiales, plutôt que de simples trous
nanométriques, et nous l’avons nommée AAA
pour « Annular Aperture Array ».
Comparaison théorie-expérience sur un réseau
réalisé à l’EPFL
Fig. 2 : Schéma de principe de la structure AAA et
exemple de spectre de transmission en incidence
normale par un réseau d’ouvertures de rayons 50
et 75 nm et de période 300 nm, pour deux
épaisseurs.
Des simulations à l’aide de la méthode FDTD
ont montré qu’une transmission de plus de
80% pouvaient être atteinte pour des cavités
de rayons 50 et 75 nm et une période de 300
nm. Nos études théoriques ont démontré que
cette valeur élevée pouvait s’interpréter par la
transmission quasiment sans perte par un
mode en résonance dans ces cavités
nettement sub-longueur d’onde.
La fabrication de ces structures est un
challenge technologique. Nous avons d’abord
développé une collaboration avec une équipe
de Lausanne et une de l’IEF (centrale
Minerve) pendant que nous démarrions nos
fabrications à Besançon. Les premières
structures, non optimisées, ont été réalisées à
Paris, ensuite à Lausanne puis maintenant à
Besançon, où une étude systématique est en
cours avec une forte interaction entre les
simulations numériques et les mesures
(champ proche et champ lointain).
Pour la première fois, une transmission
expérimentale de 16% a été atteinte dans le
visible avec un accord théorie-expérience
excellent.
D’autre
part,
nous
avons
étudié
théoriquement des cristaux photoniques
métalliques,
constitués
de
plots
nanométriques, et modélisé une expérience
réalisée au Danemark. Plus récemment, une
collaboration s’est engagée avec un groupe
de l’IEF pour étudier le couplage résonnant
par PS entre plots d’or déposés sur Silicium.
Conclusion et perspectives
Il s’agit maintenant d’optimiser les process
de fabrication en relation avec les simulations
numériques pour trouver des paramètres
physiques réalisables et donnant une
transmission la plus forte possible. Pendant
que les travaux sur la réalisation des nano
structures se développent, on observera des
structures AAA en champ proche optique à
Besançon.
Production scientifique
15 publications dans des revues à comité de
lecture (O17, O38, O41, O50, O51, O59,
O95, O96, O103, O105, O118, O124, O132,
O150, O162), 6 actes de congrès, 10 autres
conférences, dont : O380, O382, O410,
O411, O421
Image SEM d’une structure réalisée à l’EPFL par
lithographie électronique dans une couche d’or
d’épaisseur 80 nm. Le diamètre intérieur du
coaxe est de 170 nm, La période est de 600nm
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
OP10 – Cristaux photoniques en
niobate de lithium (dép. Optique,
NOCP)
Pour la réalisation des structures, nous avons
développé une technique utilisant un faisceau
ionique focalisé (FIB) qui permet faire des
trous sub-micrométriques sur une profondeur
de 2 µm.
Résumé
Objectif du projet :
Les cristaux photoniques sur substrat
commandable ont un intérêt particulier en
optique car ils sont susceptibles d’assurer la
réalisation de fonctions optiques dynamiques
dans des dispositifs ultra-compacts. Le
niobate de lithium (LiNbO3) est un candidat
exceptionnel pour la fabrication de tels
cristaux en raison de ses forts coefficients
non linéaire, électro-optique, piézoélectrique
et acousto-optique. Cependant, la résistance
de ce matériau aux techniques classiques
d’usinage
sub-micronique
a
jusqu’ici
empêché le développement de ce type de
composant.
L’objectif de ce projet est la conception
(théorique),
la
fabrication
et
la
caractérisation
optique
de
structures
photoniques bi-dimensionelles commandables
en niobate de lithium pour la fabrication de
dispositifs
optiques
ultra
compacts
à
commande multiple.
Personnes impliquées :
Fadi Baida (PR, 30%), Nadège Courjal (MC,
100%), Maria-Pilar Bernal (CR, 80%), Gwen
Ulliac (IR, 50 %), Roland Salut (IR, 20 %),
Michel Spajer (IR, 10 %), Matthieu Roussey
(DOC, 60%), Julien Amet (DOC, 100%),
Chian Hou (DOC, 50 %)
Gauche : vue au microscope électronique à balayage du cristal
photonique à maille carrée ; diamètre des trous : a=766nm,
r/a=0.27. Droite : photographie du modulateur réalisé.
A ce jour, seule la technique de gravure
directe par FIB parvient à usiner des trous
nanométriques dans le niobate de lithium sur
quelques microns de profondeur. Le réseau
carré de trous est gravé au sein d’un guide
ruban classique à gradient d’indice, réalisé au
préalable par échange protonique. Pour
rendre
le
cristal
photonique
électrocommandable, nous avons déposé de chaque
côté du cristal des électrodes permettant
l’application d’une tension externe dans la
structure.
Collaborations :
Photline Technologies Besançon, EPFL
Lausanne, Univ. Glasgow Ecosse, Univ.
Nationale Taiwan, IBM Almaden USA
Soutiens financiers :
ACI Nanosciences COBIAN,
Interreg III, LEA Microtechniques, aide Anvar
Description des travaux
Pour réaliser des composants commandables
exploitant les propriétés de bandes interdites,
il faut pouvoir modifier ou moduler les
propriétés physiques ou géométriques du
cristal. Les calculs théoriques de structures
de bandes et de transmissions ont été
réalisés avec la méthode FDTD (FiniteDifference Time-Domain).
Images topographique (a) et optique (b) d’un guide
PCW1 en niobate de lithium de taille 20x20 µm.
L’image optique met en évidence le mode de Bloch
lent du cristal photonique qui se propage a une
longueur d’onde de 1550nm.
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
Résultats obtenus
Deux techniques de caractérisation optique
sont utilisées pour l’évaluation des cristaux
photoniques : une mesure du spectre de
transmission et une mesure du champ
évanescent à la surface du cristal photonique
a l’aide d’un microscope en champ proche
(SNOM).
La caractérisation SNOM a permis de
confirmer la propagation d’un mode de Bloch
lent dans un guide en cristal photonique de
type PCW1 (une ligne de lacunes). Une image
topographique et une image optique sont
montrées dans la figure précédente.
Pour la mesure du spectre en transmission,
nous utilisons comme source lumineuse un
supercontinuum de lumière. La figure cidessous montre le déplacement spectral de la
bande interdite photonique provoqué par
l’application d’une tension. Nous observons
alors une translation importante, de plus de
200 nm, pour une tension appliquée de 80
V. Un tel déplacement de la bande est 330
fois supérieur à ce que l’effet Pockels,
considéré
seul,
prédit.
Nos
travaux
théoriques
récents
montrent
que
ce
phénomène
d’exaltation
est
dû
au
ralentissement d’un facteur 50 de la lumière
au bord de la bande interdite.
est de contrôler la réponse en transmission
de la structure photonique par effet acoustooptique, pour des applications de détection,
de filtrage dynamique large bande ou
coupleurs dynamiques.
Développement
de
dispositifs
photoniques ultraréfractifs :
Nous
utiliserons
la
forte
dispersion
chromatique dans les cristaux photoniques et
l’effet électro-optique dans le niobate de
lithium pour développer des superprismes à
cristal photonique ou l’angle de déviation
varie avec la tension de commande externe.
Production scientifique
Cette activité a débuté fin 2003. 2
publications dans des revues à comité de
lecture (O29, O39), 1 conférence invitée
(O169), 5 actes de congrès, 2 autres
conférences, dont : O201, O202, O209,
O379, O394.
Publications récentes :
- M. Roussey, M.-P. Bernal, N. Courjal, R. Salut, D.
Van Labeke, F.I. Baida, “Extraordinary tunable
electro-optical lithium niobate photonic crystals”
Appl. Phys. Lett. 89, 241110 (2006).
- M.-P. Bernal, N. Courjal, J. Amet, M. Roussey,
C.H. Hou “Lithium niobate photonic crystal
waveguides:
Far
field
and
near
field
characterisation “, Opt. Commun., Vol. 265, 180186 (2006)
Par ailleurs, le développement de ce micromodulateur à cristal photonique a reçu la
Mention spéciale du Jury du Salon
Micronora 2006.
Déplacement de la bande interdite d’un cristal
photonique à maille carrée. Pour une tension appliquée
de 80 V, la bande se déplace de 200 nm, ce qui
correspond à une variation d’indice de réfraction de 0,3.
OP11 – Fabrication
et instrumentation pour
la nano-photonique (dép. Optique,
NOCP)
Résumé
Conclusion et perspectives
Cristaux
photoniques
contrôlés
acoustiquement :
Dans le cadre du projet transverse MUPHI de
FEMTO-ST,
nous
avons
amorcé
le
développement des cristaux photoniques
intégrés sur niobate de lithium contrôlés par
des ondes acoustiques de Rayleigh. L'objectif
Objectif du projet :
L'expérimentation en nanophotonique repose
en grande partie sur l'utilisation des
techniques
d'inspection
en
microscopie
optique en champ proche. Compte tenu de la
taille sub-micrométrique des dispositifs
étudiés, seules ces techniques sont aptes à
caractériser et analyser la propagation du
champ électromagnétique dans le cas
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
d'objets isolés ou de structures spécifiques
organisées. Comme annoncé pour cette
période d'association, les activités de l'équipe
ont été fortement orientées dans le domaine
de la nanophotonique et de la plasmonique,
nécessitant un support expérimental en
inspection et en caractérisation. De ce fait,
nos activités en microscopie optique en
champ proche ne connaissent plus des
développements de recherche prioritaires,
mais constituent une activité en fond de
tâches de tous les travaux expérimentaux de
l'équipe.
Les activités en instrumentation reposent
actuellement sur la maîtrise complète des
techniques et des dispositifs d'inspection,
allant de la fabrication des sondes à
l'acquisition et au traitement des données.
L'équipe
dispose
ainsi
des
moyens
d'inspection en modes SNOM, ASNOM, STOM
développés au cours des années antérieures
et complétés de dispositifs commerciaux
récemment acquis (AFM air/liquide et SNOM–
NT-MDT). Les compétences acquises se
prolongent
naturellement
dans
deux
directions: l'une de veille sur l'évolution des
techniques
et
les
améliorations
des
performances des dispositifs, l'autre sur
l'opportunité de développer dans le cadre
d'un projet de recherche une instrumentation
spécifique, en complément des techniques
disponibles.
Personnes impliquées :
Claudine Bainier (IR, 100%), Michel Spajer
(IR, 90%), Daniel Courjon (DR, 50%), Daniel
Charraut (CR, 80%), Thierry Grosjean
(CR, 20 %) C. Vannier (DOC, 100%),
Frédéric Lacour (DOC, 100%), Audrey Fahys
(DOC, 50%), L. Buisson (Post-Doc 04-05,
100 %), Séverine Diziain (Post-Doc 05-06,
100 %)
Collaborations :
Lab. Chimie des Matériaux et Interfaces UFC
Besançon, Société DIGITAL SURF Besançon,
LNIO Troyes, ESPCI Paris
Soutiens financiers :
STREP Européen Nanocaps
Pôle de Compétitivité Microtechnique (en
cours)
Interreg III Nanotool (obtenu en 2006)
Description des travaux et
résultats obtenus
Actions en fabrication-instrumentation
L'élément
essentiel
d'un
dispositif
de
microscopie optique en champ proche est la
sonde. Elle est généralement constituée
d'une fibre optique qui comporte à une
extrémité un élément de taille nanométrique
assurant le transfert des ondes évanescentes
provenant d'un objet de taille sub-longueur
d'onde en ondes propagatives détectables et
mesurables. Les pointes fabriquées par
chauffage-étirage sont utilisées comme sonde
sans ou avec ouverture ; dans ce dernier cas
elles sont actuellement ouvertes par la
technique de perçage utilisant le FIB, après
dépôt
d'une
couche
métallique.
Le
prolongement de cette technique a montré la
possibilité d'usiner des profils complexes
(facettes)
permettant
d'optimiser
le
fonctionnement des sondes suivant leur
utilisation.
Pointe métallisée dont
l’apex a été meulé
au FIB.
Pointe percée axialement
sur un apex plat métallisé.
En complément de la fabrication, nous avons
été amené à développer des techniques de
caractérisation du champ émis par la pointe,
en champ lointain et en champ proche.
Dans ce dernier cas, une possibilité provient
de l'enregistrement direct de la répartition de
lumière dans une couche photosensible de
polymère
PMMA-DR1.
Une
inspection
topographique de type shear-force relève le
gonflement de la résine photosensible et
révèle donc une caractéristique du champ
émis. Cette technique a montré également
les possibilités de réalisation et de contrôle
de structures de dimensions nanométriques
par gravure directe du PMMA-DR1 utilisant un
dispositif de type SNOM.
Actions en fabrication-caractérisation:
Du point de vue de la caractérisation, les
travaux
menés
actuellement
en
nanophotonique font largement appel aux
techniques champ proche. Ces analyses sont
reprises dans les activités concernant l'étude
des structures photoniques et plasmoniques.
Rappelons
seulement
les
travaux
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
préliminaires concernant la nanostructuration
de guides d'ondes SiO2/SiON/SiO2 par
usinage FIB et leur caractérisation par
microscopie champ proche.
Dans le cadre du projet européen "Nanocaps"
(STREP), l'ensemble des outils de nanocaractérisation a été mis à profit pour réaliser
les
inspections
haute
résolution
MEB/AFM/SNOM/STOM
de
nanocapsules
constituées
de
multicouches
de
polyélectriques (à l'air ou dans un liquide).
Ces études complémentaires ont permis
d'élargir les connaissances sur le processus
d'assemblage des premières couches de
polymères et sur les propriétés d'adhésion
des
nanoparticules
sur
des
surfaces
fonctionnalisées,
dans
la
perspective
d'applications industrielles.
par utilisation d'une pointe à ouverture en
émission (mode SNOM) ou une pointe
métallique sans ouverture (mode ASNOM).
L'ensemble du dispositif permet d'obtenir
simultanément des images topographiques,
en transmission/réflexion directe et en
fluorescence.
Dans une opération commune avec notre
thématique portant sur les nano-antennes,
nous
avons
développé
une
méthode
d'usinage de pointes par abrasion-polissage.
Les premiers essais d'usinage montrent la
possibilité d'obtenir de manière reproductible,
des pointes-fibres comparables à celles
produites par étirage ou par attaque
chimique, de bon état de surface, d'angle
d'ouverture important, dont le cœur présente
l'avantage de ne pas être effilé. D'une
manière plus prospective, les travaux sur les
nano-antennes optiques laissent entrevoir
une intégration immédiate de nouveaux
émetteurs/capteurs dans les configurations
existantes.
Conclusion et perspectives
Image AFM (15x15µm) d'une capsule vide
déposée sur une plaque de verre.
Image AFM (20x20µm) pour l'étude de l'adhésion de
particules de 500 nm sur un réseau de résine.
Développements en instrumentation:
Il s'agit principalement de développements
dans le cadre de collaborations ou de travaux
liés à d'autres thématiques de l'équipe. La
première concerne la nécessité de compléter
l'ensemble des outils de caractérisation pour
des
applications
en
microscopie
de
fluorescence
en
champ
proche.
Un
microscope fonctionnant en mode confocal a
été totalement construit sur la base d'un
microscope SNOM, équipé d'un objectif à
immersion à grande ouverture, pouvant
fonctionner en transmission ou en réflexion,
Au niveau des applications, les retombées de
cette
thématique
sont
actuellement
prometteuses. En effet, elles se trouvent
impliquées dans deux projets pouvant faire
l'objet de transferts industriels : l'un
concerne
l'implication
dans
le
projet
NanoTool-Interreg III pour la mise au point
d'une technique de fabrication des pointes
par usinage FIB (nano-tour), l'autre se
rapporte au projet Nano4D déposé dans le
cadre
du
pôle
de
compétitivité
"Microtechniques", pour la mise en place
d'une plateforme commune aux microscopies
haute résolution, impliquant FEMTO-ST
(départements LOPMD et LPMO) et la société
bisontine DigitalSurf.
Production scientifique
5 publications dans des revues à comité de
lecture (O18, O30, O70, O74, O106), 1 acte
de congrès, 6 autres conférences, dont :
O328, O374, O375.