Plusieurs acquisitions d’imagerie en champ proche optique ont également été effectuées le long d’autres motifs présentées sur la figure 92. Le mode à fuites se propageant sur les bandes d’or étant délocalisé sur une profondeur de pénétration dans l’air de quelques µm (§I.2.B.b), la détection du champ évanescent par la micro-pointe fibrée est grandement facilitée. Néanmoins, cette délocalisation du champ limite considérablement les rayons de courbure pouvant être imposés aux guides d’onde ce qui se traduit par d’importantes fuites dans l’air au niveau des structures coudées voire une perte immédiate du couplage du mode. Cette contrainte peut être tout d’abord observée en étudiant l’angle de divergence d’un SPP se propageant sur une bande d’or prolongée par une zone homogène d’or.
Deux acquisitions SNOM ont été effectuées le long de deux bandes métalliques de largeurs wAu=10µm et wAu=2,5µm suivies par une zone homogène d’or de 70µm de largeur. Ces deux
acquisitions ont nécessité 8 balayages successifs de 400µm² avec des pas d’échantillonnage dy=75nm et dz=350nm. Les topographies de surface et les distributions spatiales de l’amplitude du signal optique en champ proche réassemblées sont présentées sur la figure 103.
Figure 103 : Cartographies 2D de la topographie de surface et image de la distribution en l’amplitude du champ SNOM pour deux bandes d’or de largeur respectivement wAu=2,5µm (bas) et wAu=10µm (haut) suivies par une zone homogène
IV.2 - Caractérisation expérimentale en champ proche optique de bandes d’or pour le guidage de
SPP et comparaison avec les calculs numériques143 Le mode à fuites se propageant au début du guide de 10µm de largeur présente un comportement multimode (zone 1) qui disparait rapidement pour laisser place au mode à fuites à un seul lobe LEAKY00 (zone 2). Lorsque le SPP arrive dans la zone métallique homogène (zone 3), le mode à fuite s’élargit très légèrement au cours de la propagation (angle de divergence ≈4,4°). La direction de propagation de ce type de mode SPP se fait donc suivant une trajectoire rectiligne. Il sera donc très difficile de guider la lumière dans un coude ou une courbure sauf si la courbure s’effectue sur de longue distance (≈50-100µm). Dans le cas de la bande de largeur wAu=2,5µm, la
divergence du faisceau devient plus importante dans la zone homogène (angle de divergence ≈7,7°). Cela est dû au fait que wAu est désormais inférieure à la largeur de coupure du guide (§II.1.D
et Figure 28). A l’extrémité de la bande métallique, le mode à fuite s’étale plus rapidement ce qui se traduit par une diminution rapide de l’amplitude de champ.
Un premier exemple permettant d’illustrer la conséquence de cette contrainte sur la courbure pouvant être imposée aux bandes d’or est présenté sur la figure 104 avec un coupleur 1 vers 2 correspondant au motif situé juste en dessous du précédent sur l’échantillon (Figure 92). Une bande d’or de largeur 4 µm se sépare en deux bandes de 4µm de largeurs en formant un V avec un angle de 55°. L’angle du V étant beaucoup plus grand en comparaison des angles de divergences observés dans l’exemple précédent, la quasi-totalité du SPP est perdu sous forme de fuites radiatives dans l’air.
Figure 104 : Cartographies 2D de la topographie de surface et image de la distribution en l’amplitude du champ SNOM d’un coupleur 1 vers 2 composé d’une bande d’or de 4µm de largeur
Un second exemple est présenté sur la figure 105 avec un SPP se propageant le long d’une bande d’or de largeur 4µm que l’on cherche à injecter sur un anneau de rayon de courbure r=15µm également constitué par une bande d’or de largeur 4µm. Cette figure comprend les cartographies 2D de la topographie de surface et de l’amplitude du signal collecté par la micro-pointe fibrée. Deux acquisitions SNOM successives de Y=20µm sur Z=20µm avec des pas dy=75nm et dz=350nm (soit environ 15000 points) ont été mises bout à bout en tenant compte des décalages qui peuvent apparaître à cause des incertitudes sur les déplacements manuels par vis micrométriques de la table 3 axes ou des dérives thermiques. L’incertitude sur les raccords est estimée à une centaine de nanomètres. De manière identique au coupleur 1 vers 2, lorsque le SPP arrive au niveau de la
Chapitre IV - Résultats expérimentaux
144
séparation entre le guide et l’anneau, il ne se répartit pas sur les deux bandes d’or mais continue à se propager suivant une trajectoire rectiligne. La courbure étant à nouveau élevée, le SPP fuit dans l’air ce qui se traduit par une diminution de l’amplitude SNOM très rapide.
Figure 105 : Cartographies 2D de la topographie de surface et image de la distribution en amplitude du champ SNOM sur un anneau de rayon µm composé d’une bande d’or de 4µm de largeur
De manière similaire, les autres fonctionnalités observables sur la figure 92 présentent d’importantes fuites au niveau des courbures les rendant non fonctionnelles. Il s’agit d’un autre inconvénient majeur que présentent les bandes métalliques. La longueur de propagation LSPP élevée
avec cette configuration simple Au/Air se fait clairement au détriment de l’intégration des fonctionnalités de routage que peut permettre de réaliser le SPP. Ainsi, en plus d’une contrainte au niveau de la largeur de la bande d’or, qui nécessite d’être supérieur à 5-6µm, les structures courbées nécessitent plusieurs dizaines de µm pour pouvoir guider le SPP avec un minimum de pertes radiatives dans l’air*. Ce type de guides d’onde plasmonique n’est donc pas adapté à la réalisation de structures hautement intégrées. Dans le cas où l’intégration des fonctionnalités optiques n’est pas l’un des objectifs recherchés, la longueur de propagation pourra être maximisée en enrobant la bande de métal avec un matériau d’indice très proche du substrat. Ces structures appelées « Long- Range SPP » (§I.2.B.c) atteignent des longueurs de propagation de l’ordre du millimètre à =1,55µm sur des bandes d’or généralement wAu>10µm. Ces LRSPP ont donné lieu à de nombreux
travaux18,50,51. A l’opposé, l’augmentation de l’intégration des composants plasmoniques peut être obtenue en ajoutant un ruban diélectrique avec un indice de réfraction élevé au dessus de la couche de métal. Ces guides d’onde DLSPP permettent de guider des modes plasmoniques à l’interface entre le métal et le ruban avec un ruban diélectrique dont les dimensions transverses peuvent être sub- longueur d’onde.
*
Cette contrainte sur les dimensions des fonctionnalités optiques impose d’utiliser des boites de calculs FDTD extrêmement grandes qui nécessitent beaucoup d’espace mémoire, de puissance et de temps calcul. De plus, le maillage adaptatif utilisé actuellement est inadapté pour étudier des bandes métalliques courbées. Le programme FDTD ne permet malheureusement pas pour l’instant d’effectuer ce type de calcul.
IV.3 - Caractérisation expérimentale de guides d’onde DLSPP
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