Composants Intégrés : Magnéto-PHotonique et

Axe principal: NPIQ
Axes secondaires : Nanostructuration et Nanofabrication
CIMPHONIE (Composants Intégrés : Magnéto-PHotonique et plasmONIquE)
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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
[e-mail]
Membres permanents de l’équipe :
Philippe Gogol
[e-mail]
Mathias Vanwolleghem
mathias.vanw[email protected].fr
Robert Megy
[e-mail]
Pierre Beauvillain
pierre.beauvill[email protected]
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• 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 magnéto-
optiques, 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 non-
réciproque 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)
De haut en bas : réseau de chaines
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
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
résultats de la littérature.

Chaines de nanoparticules intégrées sur guides SOI
Transmissions dans les guides
couplés SOI - chaine de
nanoparticules d’or, en
polarisation TE.
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
semiconducteur. Elles permettent de rediriger la lumière avec un
angle quelconque dans le plan du substrat ou de densifier les guides
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 SOI-
chaine 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.