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Génération d’un faisceau « Bessel-Gaussien » à ondes guidées à l’aide d’un réseau 2D de nanorésonateurs plasmoniques intégrés

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Des chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), en collaboration avec le laboratoire 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 en collaboration avec le laboratoire ICB, 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 ont été réalisées au C2N tandis que les mesures de propagation du faisceau ont été réalisées à 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.

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