Composants Intégrés : Magnéto-PHotonique et
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Axe principal: NPIQ Axes secondaires : Nanostructuration et Nanofabrication CIMPHONIE (Composants Intégrés : Magnéto-PHotonique et plasmONIquE) + http://cimphonie.ief.u-psud.fr/ Laboratoire Institut d’Electronique Fondamentale Bâtiment 220, université Paris-Sud 91405 Orsay cedex http://www.ief.u-psud.fr/ Contact C’nano de l’équipe Dagens Béatrice Responsable d’équipe : Béatrice Dagens [email protected] Membres permanents de l’équipe : Philippe Gogol [email protected] Mathias Vanwolleghem [email protected] Robert Megy [email protected] Pierre Beauvillain [email protected] _________________________________________________________________________ • Activité scientifiques de l’équipe : L’équipe CIMPHONIE s’intéresse à l’insertion de fonctions plasmoniques et magnéto-optiques dans des structures guidantes : une couche magnéto-optique (oxyde ou métal) peut générer des transmissions non-réciproques et finalement la fonction d’isolateur ou circulateur optique ; une chaine de nanoparticules métalliques excitée de manière évanescente par un guide, concentre certaines fréquences de l’énergie lumineuse dans un plasmon localisé et transmet de proche en proche cette énergie. Le but est de concevoir et démontrer expérimentalement ces nouvelles fonctions intégrées, à travers des composants simples et d’en proposer des solutions technologiques. Ceci inclut les études amont et fondamentales des interactions lumière-matière avec des matériaux métalliques et/ou magnétooptiques, en version optique libre et guidée, et avec nanostructurations périodiques ou non. Pour cela, l’équipe possède des moyens de simulation, de caractérisation magnéto-optiques (MOKE) ou magnétique (AGFM), de réflectométrie angulo-spectrale, SHG, et optique guidée sous champ magnétique. Un savoir-faire technologique (gravure nanométriques d’oxydes de grenat, réalisation sur substrat de nanostrutures métalliques) a également été développé. • Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des nanosciences : Circulateur magnéto-optique en grenat Circulateur magnéto-optique en grenat Le principe de l’effet de non réciprocité dans les cavités planaires repose sur l’effet MO Kerr transverse qui génère une rotation nonréciproque des deux modes propres de cavité : ces deux modes, initialement dégénérés en l’absence de champ magnétique (en un mode pair et un mode impair), se combinent linéairement en présence d’un champ magnétique pour induire deux modes contra-rotatifs de fréquences ω+ et ω- respectivement. Avec une géométrie optimisée de la cavité, les deux modes contra-rotatifs interfèrent de manière constructive ou destructive aux sorties de la cavité, espacées de 120° (Fig.1), générant ainsi la fonction de circulation optique. Les dimensions des anneaux sont calculées en analysant la force de couplage entre les modes pairs et impairs de la cavité. Les premiers tests de fabrication des circulateurs ont été effectués dans le grenat de fer substitué bismuth (BIG). Les couches de 200 à 400 nm sont épitaxiées par la technique d’ablation laser (PLD) au laboratoire GEMAC sur un substrat de GGG. La nanostructuration des couches de BIG est un défi technologique du fait du faible contraste de vitesse de gravure entre le grenat et les matériaux de masquage possibles (oxydes, nitrures, métaux). Nous avons mis au point un enchaînement technologique permettant la réalisation du circulateur à base de cavité circulaire couplés à trois guides de BIG. Chaines de nanoparticules métalliques (réflectométrie) Ces travaux axés sur la plasmonique de structures métalliques ont été menés dans le but de mieux comprendre les phénomènes d'exaltation de champs électromagnétiques et le couplage interparticules métalliques dans des réseaux de plots d’or déposés sur substrat. Les échantillons ont été fabriqués au sein de la centrale de technologie CTU-Minerve. Un banc expérimental de réflectométrie angulo-spectrale, développé en interne, a été utilisé pour étudier le comportement des résonances de plasmons de surface localisés sur des systèmes formés de chaînes de particules nanométriques sur substrat de silicium. Ce substrat étant non transparent, les études optiques ont été menées par réflexion. Le travail effectué a consisté à rechercher et identifier les différents accidents présents sur les courbes de réflexion angulo-spectrale, en s’appuyant sur des outils commerciaux de modélisation. Les réseaux de chaînes de nanoparticules font apparaître différents accidents sur les spectres de réflectométrie dont l'origine a été attribuée soit à des anomalies de diffraction (Wood-Rayleigh et Wood-Plasmon), soit à des plasmons de surface localisés. Leur analyse a permis d’établir des diagrammes de dispersion expérimentaux de modes de couplage longitudinaux et transverses dans les chaines de nanoparticules, en accord avec la théorie et les De haut en bas : réseau de chaines résultats de la littérature. de nanoparticules d’or sur Si ; zoom sur ces chaines ; courbe de dispersion extraite des courbes de réflectométrie angulo-spectrale dans le cas d’un signal polarisé P et incident perpendiculairement aux chaines ; Relations de dispersion des modes longitudinal L et transverse T1 mesurés Chaines de nanoparticules intégrées sur guides SOI L’intérêt des chaines de nanoparticules métalliques déposées sur des guides d’onde est de franchir un ordre de grandeur supplémentaire dans la miniaturisation des circuits photoniques intégrés sur Transmissions dans les guides couplés SOI - chaine de semiconducteur. Elles permettent de rediriger la lumière avec un nanoparticules d’or, en angle quelconque dans le plan du substrat ou de densifier les guides polarisation TE. d’onde sans risque de couplage entre ces guides. L’objet de notre étude est de réaliser le couplage de guides optiques SOI avec des guides plasmoniques, notamment à base de chaînes de nanoparticules d’or, et d’explorer la transmission sur une gamme étendue de longueurs d’onde (1150 à 1650 nm) qui permet de couvrir plusieurs applications potentielles : capteurs pour la biologie, circuits photoniques intégrés et miniaturisés en particulier aux longueurs d’onde télécoms.... Nous avons simulé et réalisé ces guides pour différentes longueurs de chaines de nanoparticules. Les simulations par FDTD mettent en évidence le comportement de guides couplés du système guide SOIchaine de NP, avec une longueur de couplage de l’ordre du micron lorsque les NP sont dimensionnées pour résonner à ~1500nm. • Programme de recherche : Le programme de recherche de l’équipe CIMPHONIE inclut l’étude de l’intégration de nouvelles fonctions sur guides d’onde et le développement de la technologie associée : propriétés des matériaux recherchées : magnéto-optique, magnéto-plasmonique, plasmonique (localisé et délocalisé), magnéto-electro-optique, amplification,….. types de nanostructures : cavités en anneau, en cristaux photoniques, chaines de nanoparticules,… technologie : couches minces déposées par croissance directe (oxydes grenat ou perovskites) ou report type « ion slicing », membranes suspendues, structuration magnéto-photonique (oxydes et métaux) par gravure directe ou par tenseur diélectrique effectif et/ou par implantation ionique, multistructures hybrides, nanoparticules (NP) synthétisées chimiquement (cœur-coquille) et déposées sur substrat, compatibilité « wafer-scale » sur Si, SOI ou InP. • Références : M. Fevrier, P. Gogol, A. Aassime, R. Megy, A. Bondi, J. M. Lourtioz and B. Dagens, “Localized surface Plasmon excitation through evanescent coupling from dielectric or SOI waveguide at telecom wavelength,” Oral presentation at CLEO/QELS 2011, paper EJ1.1, 22 May to 25 May 2011, Munich 2011. L. Magdenko, E. Popova, M. Vanwolleghem, C. Pang, F. Fortuna, T. Maroutian, P. Beauvillain, N. Keller, B. Dagens, “Wafer-scale fabrication of magneto-photonic structures in Bismuth Iron Garnet thin film”, Microelectronics Engineering, 87 (2010), pp. 2437-2442 Wojciech Smigaj, Javier Romero-Vivas, Boris Gralak, Liubov Magdenko, Béatrice Dagens, Mathias Vanwolleghem, “Magnetooptical circulator designed for operation in uniform external magnetic field”, Optics Letters, Volume: 35 Issue: 4 Pages: 568-570 Published: 2010 Mathias Vanwolleghem, Liubov Magdenko, Philippe Gogol, Pierre Beauvillain and Béatrice Dagens Numerical Evidence of Exalted Nonreciprocal Dichroic Propagation in a Waveguide-Coupled Magnetoplasmonic Chain of Ferromagnetic Metal Stripes, Oral presentation at QELS 2010, Quantum Electronics and Laser Science Conference, San Jose, CA, USA, du 16 mai 2010 au 21 mai 2010; in OSA Technical Digest - Quantum Electronics and Laser Science Conference, vol. 1, QMF7, 2 pages, 2010 Mathias Vanwolleghem, Liubov Magdenko, Pierre Beauvillain and Béatrice Dagens, Compact integrated optical isolation based on extraordinary dichroic transmission through a magnetoplasmonic waveguide grating, Oral presentation at SPIE Photonics Europe 2010, Bruxelles, Belgium, 12-16 april 2010; in SPIE proceedings series, vol. 7712, 77120A, 11 pages, 2010 Liubov Magdenko, Wojciech Smigaj, Sébastien Guenneau, Boris Gralak, Mathias Vanwolleghem, Pierre Beauvillain and Béatrice Dagens, A novel integrated optical circulator based on a uniformly magnetized circular magneto-optic Bragg resonator, Oral presentation at SPIE Photonics Europe 2010 Conference, vol. 7713, Photonic Crystal Materials and Devices, Bruxelles, Belgium, 12-16 april 2010 M Fevrier, P Gogol, J Lourtioz, P Beauvillain, B Dagens, - Localized surface plasmon waveguide integrated on dielectric waveguide paper WeP29 (poster), ECIO, Cambridge, 7- 9 April 2010 Mathias Vanwolleghem, Xavier Checoury, Wojciech Smigaj, Boris Gralak, Liubov Magdenko, Kamil Postava, Beatrice Dagens, Pierre Beauvillain, and Jean-Michel Lourtioz,“Unidirectional band gaps in uniformly magnetized two-dimensional magnetophotonic crystals”, Physical Review B, Vol.80, No.12, 121102(R) (2009), 15 September 2009 Liubov Magdenko, Fabien Gaucher, Philippe Lecoeur, Mathias Vanwolleghem, Abdel Aassime, Béatrice Dagens “Sputtered metal lift-off for grating fabrication on InP based optical devices” Microelectronics Engineering, Vol.86, issue 11, Nov. 2009, pp 2251–2254 M. Vanwolleghem, K. Postava, W. Smigaj, L. Magdenko, B. Gralak, J.-M. Lourtioz, P. Beauvillain and B. Dagens, “A novel design for a compact integrated optical isolator based on unidirectional bandgap in a 2D magnetophotonic crystal,” CLEO Europe 2009, paper CK.P.9. MON, Munich 2009.
