Des chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), en collaboration avec le Laboratoire interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) ont démontré la génération d’un faisceau optique non diffractif sur une longue distance dans un guide d’onde. Le concept de ce générateur de faisceau dit « de Bessel », basé sur l’utilisation d’une lentille à surface conique formé par un réseau 2D de nanorésonateurs plasmoniques intégrés, peut être facilement adapté à d'autres domaines spectraux.

La diffraction des ondes électromagnétiques dans des milieux optiques 2D ou 3D non bornés, qui n'exercent aucune action de confinement latéral lors de la propagation d'un faisceau, est l'une des principales causes de la dégradation de la transmission de données dans les gammes des ondes radio, des micro-ondes, ou de l’infrarouge. Pour contrer ce problème de diffraction, une solution consiste à façonner le profil d'intensité du faisceau avec des fonctions de type Bessel, conduisant à un faisceau qui se propage sans être diffracté ou étalé. Dans ce but, une lentille de type axicon, basée sur une surface conique, peut être utilisée pour générer une distribution lumineuse qui est latéralement constante le long de l'axe optique sur une certaine distance. Bien que la technique de propagation de faisceaux non diffractés trouve principalement des applications optiques en espace libre, elle peut également être utile dans l'optique guidée, afin d’assurer la propagation de faisceaux collimatés sur de longues distances. L'approche conventionnelle repose sur les propriétés d'auto-collimation obtenues en utilisant des structures de type cristal photonique 2D (PhC). Cependant, son application est essentiellement limitée à la propagation de faisceaux gaussiens à un seul lobe et n'est pas adaptée à la mise en œuvre de profils d'intensité de faisceaux de type Bessel.

Dans des travaux publiés en avril 2020 dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces, une équipe de chercheurs du Département Photonique du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS / Univ. Paris-Saclay) en collaboration avec le Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne - ICB (CNRS / Univ. De Bourgogne / Univ. De Technologie Belfort-Montbeliard), a présenté une nouvelle stratégie de génération de faisceau Bessel en ondes guidées. Pour atteindre cet objectif, ils ont utilisé une lentille axicon miniaturisée d’une taille de seulement 11µm² réalisée à base d’une métasurface intégrée sur un guide d'onde diélectrique. Le contrôle de la phase locale et de l'amplitude des ondes lumineuses est obtenu en ajustant les paramètres d'un tel guide d'onde hybride métasurface-diélectrique, à savoir la force du couplage évanescent avec les nanorésonateurs plasmoniques, leur densité de surface, leur fréquence de résonance et leur facteur de qualité.

La conception, la modélisation et la fabrication de la structure expérimentale, un générateur de faisceau de Bessel formé par un réseau 2D de nanorésonateurs plasmoniques intégrés sur un guide d'ondes en SOI (voir figure), ont été réalisées au C2N* tandis que les mesures de propagation du faisceau ont été réalisées par les partenaires de l’ICB. La technique de microscopie optique à balayage en champ proche a été utilisée pour fournir une preuve directe de la propagation à longue distance sans diffraction d'un faisceau guidé et pour déterminer son profil d'intensité. Les résultats présentés démontrent la capacité de contrôler le flux lumineux dans les structures d'ondes guidées en modifiant localement l'indice effectif du guide d’onde diélectrique au moyen d'une fine couche de métasurface au-dessus. La grande variété de paramètres physiques qui peuvent être utilisés pour contrôler les propriétés des résonateurs plasmoniques offre la possibilité de concevoir des dispositifs optiques basés sur la nanotechnologie avec des fonctionnalités avancées. Le caractère additif de cette technologie générique la rend adaptée à une grande variété de plates-formes, telles que la silice plane, le nitrure de silicium, le niobate de lithium, les semi-conducteurs II-VI, III-V, IV-IV, etc.

Le concept exploité peut également être facilement adapté à d'autres domaines spectraux, en particulier pour les longueurs d'onde plus longues, de l'infrarouge moyen et lointain au THz où les pertes d'absorption des résonateurs plasmoniques sont considérablement réduites. La sensibilité de la fréquence de résonance des plasmons de surface localisés aux changements de leur environnement diélectrique peut être utilisée pour une multitude d'applications concenant la détection dans les domaines de défense, sécurité, médecine, environnementales et biochimiques.

*Dans la Centrale de Technologie (salle blanche) du C2N, membre du réseau national des centrales de nanotechnologie (RENATECH CNRS)

 

Références :
2D Waveguided Bessel Beam Generated Using Integrated Metasurface-Based Plasmonic Axicon*
Yulong Fan¹, Benoît Cluzel², Marlène Petit², Xavier Le Roux¹, Anatole Lupu¹, Andre de Lustrac¹
ACS Appl. Mater. Interfaces (2020)

DOI : doi.org/10.1021/acsami.0c03420
*contactez Anatole Lupu ou André de Lustrac (e-mails ci-dessous) pour obtenir un lien vers la version électronique complète de l'article : 50 copies disponibles à télécharger gratuitement sur le site ACS Articles.

¹ Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS, Université Paris-Saclay)
² Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne - ICB (CNRS - Université de Bourgogne – Université de Technologie de Belfort-Montbeliard)

Contacts :

• Yulong Fan, ex-C2N, actuellement à City University of Hong Kong
• Benoît Cluzel, Maître de Conférences de l’Université de Bourgogne à l’ICB
• Xavier Le Roux, Ingénieur de recherche CNRS au C2N
• Anatole Lupu, Chercheur CNRS au C2N
• André de Lustrac, Professeur Emérite au C2N

 

Figure: (Gauche) Schéma du générateur de faisceau de Bessel formé par un réseau 2D de nanorésonateurs plasmoniques intégrés sur un guide d'ondes en SOI (Silicon on Insulator); (En haut à droite) Image MEB (microscope électronique à balayage) du méta-axicon fabriqué et vue agrandie des nanorésonateurs en or; (En bas à droite) Image MOCP (microscope optique à champ proche) de l'évolution du faisceau Bessel-Gaussien selon la distance de propagation.