Les guides chiroptiques : une nouvelle polarisation pour l`optique

Composants passifs et Optique intégrée
A4.5
L ES GUIDES CHIROPTIQUES : UNE NOUVELLE POLARISATION POUR
L’ OPTIQUE PLANAIRE ?
Théophile Vautey1 , Laure Guy2 , Stéphan Guy1
1
Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents; Université. de Lyon, CNRS- Université
Lyon 1 , 10 rue André-Marie Ampère, 69622 Villeurbanne Cedex, France
2 Laboratoire de Chimie; Ecole Normale Supérieure de Lyon, 46 Allée d’Italie, 69364 Lyon Cedex 07
ENS Lyon
[email protected]
R ÉSUM É
Nous présentons nos résultats préliminaires dans le but de réaliser des guides plans diélectriques
à coeur isotrope chiral. Ces guides autorisent la propagation de modes de polarisation transverses elliptiques. Par calcul, nous montrons que pour observer une ellipticité significative
des pouvoirs rotatoires supérieurs à 10˚/mm alliés à des contrastes d’indices faibles et de
épaisseurs de l’ordre de 2μm sont nécessaires. Des couches minces de matériaux hybrides
(SiO2 /binaphtyl) ont été réalisées par la méthode sol-gel. La qualité des films minces et les
pouvoirs rotatoires mesurés montrent que les matériaux hybrides chiraux sont de bons candidats pour les guides chiroptiques.
M OTS - CLEFS : guides plans; polarisation; chiralité; sol-gel.
1.
I NTRODUCTION
La polarisation dans un guide d’onde planaire achiral est imposé par la symétrie planaire. Il en
résulte deux familles de modes de polarisation transverse rectiligne : les fameux modes TE (pour “Transvers Electric”) et TM pour “Transvers Magnetic”. Ainsi, toute la technologie de l’optique planaire est
confinée aux polarisations rectilignes. Nous étudions, dans ce travail, la possibilité de repousser cette limite en concevant des guides d’onde chiroptiques capables de propager des ondes de polarisation transverses elliptiques voire circulaires. L’intérêt pour une propagation planaire de polarisation circulaire n’est
pas seulement fondamentale, les applications potentielles sont également nombreuses. On retiendra en
particulier la branche capteur des guides planaires. En effet, de nombreuses molécules biologiques sont
chirales et sont donc sensibles à l’ellipticité de la polarisation de la lumière. Ceci signifie que dans un
grand nombre d’applications liées à la détection optique de ces molécules biologiques, le meilleur choix
pour un capteur optique est naturellement un capteur optiquement actif.
Les guides chiroptiques ont été inventés (et baptisés) par Engheta et Pelet en 1989 [1]. Ils sont
constitués d’un coeur chiral homogène isotrope entouré par deux diélectriques achiraux. Cette découverte
a ouvert tout un champ de nouvelles études théoriques portant sur les propriétés optiques de ces guides :
nouvelles polarisations, croisement des modes, couplages TE/TM, génération d’ondes “lentes”. Ce n’est
qu’en 2001 que la résolution des équations de Maxwell dans ces structures a été complètement menée
à bien [2, 3]. La réalisation concrète de guides d’ondes chiroptiques s’est heurtée, jusqu’à présent, à
la difficulté de réaliser des matériaux à fort pouvoir rotatoire. Nous n’avons trouvé que trois essais de
conception de guides chiroptiques, soit avec un effet très faible lié à une chiralité faible du matériaux
[4, 5], soit avec une mesure de l’ellipticité des modes indirecte et peu convaincante [6].
Dans ce travail, nous montrons la potentialité de couches minces de matériaux hybrides silice–
binaphtol comme candidats en tant que guides chiroptiques. Pour cela, dans un premier temps, nous
déterminons théoriquement les conditions opto-géométriques nécessaires afin d’observer, dans un guide
plan, des modes de polarisation elliptique. Dans la deuxième partie, nous présentons les résultats obtenus
sur des couches minces déposées par dip-coating à partir de précurseurs sol-gel chiraux. Enfin, dans la
conclusion nous montrons que ce matériau pourra, à terme, conduire à la réalisation de guide chiroptique
(i.e. propageant des ondes de polarisation transverses elliptiques).
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2.
T H ÉORIE
La propagation d’ondes dans des guides plans à coeurs chiraux a été résolue par Herman [2] en utilisant les équations de Maxwell auxquelles s’ajoutent les relations constitutives de Drude-Born-Fedorov.
Dans le cas des guides à coeur chiral, les réflexions sur les interfaces mélangent les polarisations
si bien que chaque mode est la superposition de 2 paires d’ondes planes : une de polarisation circulaire gauche et l’autre circulaire droite. Le résultat net est que la polarisation transverse de l’onde est
généralement elliptique avec une ellipticité (rapport du petit axe sur le grand axe) variant entre 0 et 1.
Cette ellipticité n’est pas fixe pour un mode donné mais dépend de l’épaisseur du coeur chiral [2].
La résolution numérique des équations de propagations permet de se faire une idée des conditions
nécessaires à l’obtention d’une polarisation non rectiligne. Sur la Fig. 1 nous avons tracé l’évolution de
l’ellipticité du mode fondamental en fonction de l’épaisseur du coeur calculé à partir des résultats de [2].
La lecture des ces courbes montre que l’ellipticité du mode guidé est d’autant plus grande que le contraste
d’indice Δn est faible, l’épaisseur du coeur forte et le pouvoir rotatoire ρ important.
0.8
0.9
0.6
Ellipticite
0.8
n=1.00
n=1.67
n=1.51
0.5
n=1.00
n=1.67
n=1.66
0.7
ρ=100
Ellipticite
0.7
0.4
ρ=50
0.3
0.2
ρ=20
0.6
ρ=100
ρ=50
0.5
0.4
0.3
ρ=20
0.2
0.1
0
0.5
1
1.5
2
2.5
ρ=10
0.1
ρ=10
0
3
0.5
Epaisseur du coeur μm
1
1.5
2
2.5
3
Epaisseur du coeur μm
F IG . 1 : Ellipticité du mode fondamental dans un guide chiroptique plan (λ = 545nm) constitué d’une couche
chirale d’indice 1.67 de pouvoir rotatoire ρ déposé sur un substrat d’indice 1.51 (gauche) ou 1.66 (droite) en
fonction de l’épaisseur du coeur pour trois valeurs du pouvoir rotatoire ρ en deg/mm.
3.
V ERS DES GUIDES D ’ ONDES CHIROPTIQUES
Procédé de dépôt des couches minces Nous avons synthétisé un nouveau précurseur sol-gel fortement
chiral, composé d’un groupement binaphtyl greffé sur du triethoxysillane, dont nous avons étudié la
cinétique d’hydrolyse-condensation [7]. Les solutions (Précurseur/Ethanol/H2 O/HCl = 1/92/10/0.0015)
sont utilisées pendant 36 heures. Les dépôts s’effectuent en phase liquide par trempage d’un substrat de
verre (n=1.512, 632.8nm) dans la solution de précurseurs. La vitesse de tirage est optimisée afin d’obtenir
les dépôts les plus épais possibles (entre 2 et 15cm/min). Des dépôts successifs servent à obtenir des films
épais. Entre chaque dépôt les échantillons sont recuits 90 minutes à 150˚C. L’épaisseur et l’indice des
couches sont mesurés par la spectroscopie des lignes noires. Le pouvoir rotatoire du matériaux déposé
est mesuré avec un polarimètre Perkin-Elmer 241.
Résultats Les mesures d’épaisseur montrent que chaque trempage conduit à un dépôt de l’ordre de
200 ± 20nm dépendant de l’age du sol et de la vitesse de tirage. Des échantillons constitués de 6 dépôts
successifs ont pu être réalisés sans apparition de craquelure conduisant à des épaisseurs de l’ordre de
1.2μm. Le pouvoir rotatoire de la couche, mesuré sur une série de 10 échantillons, est représenté sur la
Fig. 2 en fonction de la longueur d’onde. L’indice du matériaux varie entre 1.631 ± 0.007 à 690nm et
1.669 ± 0.003 à 476nm. Des mesures de pertes, en injectant la lumière par prisme et en enregistrant avec
une caméra la lumière diffusée, nous donne des valeurs entre 3 et 10dB/cm selon les échantillons.
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Abs.
ρ (deg/mm)
Absorbance
1.4
20
18
1.2
16
1
14
0.8
12
0.6
10
0.4
8
0.2
6
0
350
400
450
500
550
ρ (deg/mm)
1.6
4
600
λ(nm)
F IG . 2 : Spectre d’absorption et pouvoir rotatoire mesurés sur des couches minces déposés par dip-coating. Ces mesures sont effectuées perpendiculairement aux couches minces (épaisseurs variant entre 1 et 2μm). Les “rebonds”
sur l’absorption pour λ > 350nm correspondent aux interférences dans le film.
C ONCLUSION – P ERSPECTIVES
Par calcul, nous avons montré que la réalisation de guide chiroptique nécessite de synthétiser des
matériaux à fort pouvoir rotatoires. En prenant un contraste d’indice faible et une épaisseur de 1.2μm, un
pouvoir rotatoire supérieur à 20˚/mm est nécessaire pour détecter une ellipticité de 10%. Les guides que
nous avons réalisés présentent des pouvoirs rotatoires entre 5 et 20˚/mm selon la longueur d’onde dans
le visible. Ils sont de plus transparents pour λ > 360nm et peuvent atteindre des épaisseurs de l’ordre de
1.2μm.
Ces matériaux présentent donc un pouvoir rotatoir suffisant pour démontrer un effet de guidage
chiroptique. Pour cela, nous allons déposer ces films sur des substrats d’indice adapté (Δn ∼ 0.01) ce
qui donnerait des ellipticité de l’ordre de 0.1 (voir Fig. 1 partie droite). Cependant, pour obtenir des
ellipticités plus significatives, il est nécessaire de produire des matériaux ayant des pouvoirs rotatoires
encore plus importants. Dans ce but, nous envisageons de fonctionnaliser des précurseurs sol-gel avec des
hélicenes, molécules transparentes dans le visible présentant le plus grand pouvoir rotatoire observé [8].
R ÉF ÉRENCES
[1] N. Engheta and P. Pelet, “Modes in chirowaveguides,” Optics Letters, vol. 14(11), pp. 593–5, 1989.
[2] W.-N. Herman, “Polarization eccentricity of the transverse field for modes in chiral core planar waveguides,” Journal of the Optical Society of America A Optics, Image Science and Vision, vol. 18(11), pp.
2806–18, 2001.
[3] E. Bahar, “Mueller matrices for waves reflected and transmitted through chiral materials : waveguide modal
solutions and applications,” J. Opt. Soc. Am. B, vol. 24, pp. 1610–1619, 2007.
[4] M. Chien, Y. Kim, and H. Grebel, “Mode conversion in optically active and isotropic waveguides,” Optics
Letters, vol. 14(15), pp. 826–8, 1989.
[5] L. Kalvoda and L. Polerecky, “Investigation of a planar chiral waveguide structure by a modified atr method,” Advanced Materials for Optics and Electronics, vol. 8, pp. 195–199, 1998.
[6] W. N. Herman, “Amorphos thin films of chiral binaphtyls for photonic waveguides,” Journal of macromolecular science, vol. A40, no. 12, pp. 1369–1382, 2003.
[7] L. Guy, T. Vautey, and S. Guy, Sol Gel Science Technologie, 2008, soumis.
[8] R. Martin and V. Libert, J. Chem. Research (S), p. 130, 1980.
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