6.1 Introduction
On assiste à un effort émergeant pour concevoir des composants plasmoniques afin de les intégrer dans des circuits plasmoniques opérationnels. Cependant, il existe plusieurs problèmes qui doivent être résolus avant qu'un circuit entièrement basé sur la plasmonique ne devienne réalité. L'un de ces principaux défis est de moduler et de contrôler la propagation SPP. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle façon de contrôler la propagation de SPP en façonnant spécifiquement des états propres de transmission dans une géométrie multimodale 2D. Les caractéristiques des modes plasmoniques supportés par des cavités individuelles et couplées d’or, qui ont été discutées aux chapitres IV et V, sont la clé de la conception de ces états propres de transmission. Le comportement optique de deux cavités couplées est modifié par l'interaction électromagnétique entre elles. Une faible transmission dans la structure couplée en forme de papillon nous amène à concevoir une structure légèrement modifiée appelée diabolo, composée de deux nanoantennes papillon reliés par un canal métallique rectangulaire afin de faciliter le couplage entre les deux prismes triangulaires multimodaux (figure 6.1).
6.2 Calcul des cartes de transmission
Les cartes de transmission calculées dépendent de divers paramètres comme la forme du réseau, le type d'excitation, la hauteur du plan d'observation, la position d'excitation, etc. Pour calculer le champ local à n'importe quel point donné du diabolo ou au-delà, nous définissons d'abord l'excitation du champ. Dans cette section, nous discutons de l'effet des trois différents types d'excitation, à savoir l'excitation par un dipôle, l'excitation par une onde plane avec un profil d'intensité Gaussien et l'excitation par un faisceau Gaussien complet sur les cartes et les spectres de transmission. Pour l'excitation par dipôle et onde plane, dans le cas d'un réseau à 3 couches, le bruit de fond est nettement inférieur à celui d’un réseau d’une seule couche (figure 6.2 et 6.3). Pour l'excitation par faisceau Gaussien, des points chauds bien définis apparaissent avec une polarisation dans le plan de 0° sur les cavités triangulaires (figure
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6.4) pour des réseaux à 1 et 3 couches. Pour la polarisation dans le plan à 90 °, des points chauds beaucoup plus faibles sont observés sur les deux bords de la cavité droite.
6.3 Conception du diabolo
La structure proposée dans la figure 6.1 (a) ne peut pas être synthétisée par chimie colloïdale. Ainsi, nous avons utilisé un mélange d'approche top-down et bottom-up pour fabriquer de telles structures. Les dispositifs en forme de diabolo ont été produits en découpant des micro plaquettes d'or cristallines déposées sur une lamelle de verre revêtue par 10 nm d'ITO. Des plaquettes hexagonales d'un diamètre de 3 à 5 µm ont donc été découpées en utilisant un système FIB intégré dans un microscope à double faisceau Zeiss 1540 XB (voir Matériaux et méthodes). Le protocole de gravure se compose de deux étapes. Dans la première étape, le motif du diabolo est découpé dans des plaquettes hexagonales d'or. La deuxième étape conssite à éliminer l'or de la zone périphérique de la microplaquette de départ, créant une structure en forme de diabolo bien isolée sur le substrat. Le chevauchement des zones de gravure entraîne une découpe inégale du substrat et du pourtour du diabolo. Pour éviter ces imperfections, le protocole a été amélioré en connectant à notre microscope à un générateur de motifs Raith Elphy Multibeam qui donne un bien meilleur résultat (figure 6.6).
6.4 Transmittance du signal plasmonique dans une cavité 2D en forme de diabolo
Le diabolo a été étudié expérimentalement par TPL dans deux modes de cartographie, à savoir la microscopie confocale et dans le plan image. La structure modale du diabolo obtenue par microscopie TPL confocale est comparée aux cartes SPLDOS projetées. La carte SPLDOS de la figure 6.7 (a) indique que lorsque le SPLDOS est projetée le long de la polarisation linéaire horizontale, une densité d'états plasmonique finie existe le long du canal, ce qui permet potentiellement le transfert du signal plasmonique. Cependant, en tournant la polarisation dans la direction verticale, on observe une forte diminution de la SPLDOS partielle le long du canal (figure 6.7b). La présence des points chauds sur les sommets de la structure diabolo suggère par ailleurs que les caractéristiques modales des triangles sont conservées même après l'introduction d'un canal entre les deux. Ces points chauds aux extrémités sont donc de bons candidats comme entrées et sorties opérationnelles de la structure diabolo pour la transmission du signal plasmonique. Une bonne correspondance entre les cartes expérimentales et simulées est observée. Ensuite, nous nous concentrons sur la transmission de l'information plasmonique dans les structures diabolo d'un sommet de la première cavité triangulaire à la cavité triangulaire opposée. Le contraste de l'intensité de transmittance à la sortie pour les deux
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polarisations orthogonales nous permet de choisir 810nm comme longueur d'onde d'excitation expérimentale.
La figure 6.9 suggère que nous pouvons régler le signal TPL localisé émergeant de la cavité triangulaire droite du diabolo en basculant la polarisation du faisceau d'excitation de 0° à 90°. Ces résultats sont précisément reproduits dans les cartes de transmission simulées de champ proche. L'excitation par faisceau Gaussien a été utilisée pour calculer les cartes de transmission avec un réseau à une seule couche. Elle reproduit fidèlement la plupart des caractéristiques observées dans les cartes de transmission expérimentales.
Pour l'excitation à l'entrée du canal Ci, un changement de polarisation de 90° produit une augmentation de 9,0 fois de l'émission confocale en Ci mais seulement un rapport ON / OFF de 3,2 à la sortie (O) (figure 6.12). Il est important de noter ici que la distance entre le point d'entrée du canal (Ci) et la sortie (O) est d'environ 1,1 µm, soit près de la moitié de la distance entre l'entrée au sommet (I) et la sortie (O) ( ~ 1,9 µm). Cela suggère que la transmission ne se produit pas par simple propagation d'un SPP dans le film structuré, mais que la structure modale sous-jacente ainsi que les variations spatiales de l'efficacité d'excitation des modes décrite par les cartes de SPLDOS jouent également un rôle déterminant dans la modulation de la transmittance.
Une autre façon de moduler la transmittance dans la structure diabolo est de choisir la longueur d'onde d'excitation. À 750 nm, la transmittance calculée est faible pour les deux polarisations (figure 6.11). Ceci est vérifié expérimentalement. Les motifs dans le bloc d'excitation correspondent étroitement aux cartes simulées de champ proche pour les deux polarisations.
En outre, si nous augmentons la taille d'un prisme triangulaire d'environ 100nm par rapport à l'autre, de 650nm à 750nm, nous observons un ensemble différent de résonances (figure 6.14). Ce désaccord de résonances dans les deux blocs est potentiellement un facteur décisif pour la suppression de la transmission d'un bloc à l'autre. Nous avons considéré un diabolo non symétrique avec des tailles de prismes différant de 90nm. Pour l'excitation à l'entrée (I) avec un faisceau linéairement polarisé à 810nm le long de la direction horizontale, nous n'observons pas de signal de sortie observée en sortie (O) (figure 6.15) pour la polarisation du plan 0° et 90°. Nous supposons que la rupture de symétrie lors de la conception du diabolo maintient le système hors résonance en raison de l'incompatibilité spectrale entre les deux résonateurs modaux et ne permet pas une transmission délocalisée. Les cartes et spectres simulés correspondent bien à nos résultats expérimentaux et confirment la suppression de la transmittance.
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6.5 Conclusion
En conclusion, nous avons conçu, fabriqué et étudier une structure cristalline mésoscopique en forme de diabolo 2D composée de deux cavités triangulaires reliées par un canal rectangulaire à partir d'une grande plaquette hexagonale en or cristallin. Nous avons obtenu un signal TPL confiné émergeant d'un sommet du bloc triangulaire lors de l'excitation au sommet diagonalement opposé (I) de l'autre bloc. En outre, avec le changement de position de l’excitation, du sommet à l'entrée de la chaîne, nous pouvons régler avec succès la transmission. Les performances de la modulation de transmission lors du changement de polarisation à 810 nm montrent un large rapport ON / OFF de 130 pour le diabolo symétrique et un rendement de transmission globale de 3,5% à 2 m de distance. Nous réalisons ainsi un dispositif de transmission opérationnel en utilisant des longueurs d'onde d'excitation appropriées et des polarisations à des emplacements d'entrée spécifiques dans la structure du diabolo. Cette approche par conception modale pour la modulation de la transmission SP dans la cavité plasmique 2D complexe contribue aux stratégies actuelles pour concevoir des dispositifs actifs de traitement de l'information.
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