Structures intégrées et plasmoniques

Dans cette sous-section, le piégeage optique est assuré par un système guidant couplé à une structure plasmonique. Ensemble, ils présentent l’avantage d’avoir une forte efficacité d’excita-tion de la structure plasmonique grâce au système guidé et de concentrer fortement la lumière par la création des plasmons de surface.

L’équipe de R. Quidant a utilisé un guide d’onde en GeO2 :SiO2 pour exciter un ensemble de disques d’or localisé au-dessus (figure 1.21) [69]. L’excitation des disques d’or est assurée par un laser de 633 nm de longueur d’onde qui est injectée dans le guide d’onde. Avec cette structure, ils ont pu piéger des billes de polystyrène de 5 µm de diamètre mais aussi des cellules de levure présentant un indice de réfraction plus petit que celui du polystyrène. Ils ont également clairement démontré que l’efficacité de piégeage avec une fibre est plus grande qu’avec un prisme malgré une constante de raideur plus faible dans le 1er cas.

(a) (b)

Figure 1.21 – (a) Représentation schématique du guide d’onde GeO2 :SiO2 et des disques d’or au-dessus. (b) Image représentant le piégeage en parallèle de billes de polystyrène de 5 µm. Extrait de [69].

M. Chamanzar et al. ont utilisé une structure composée d’un barreau d’or sur un guide d’onde en nitrure de silicium pour créer un capteur [70]. La représentation schématique de la structure est visible sur la figure 1.22a. Une couche de PDMS permettant d’encapsuler la structure est déposée au-dessus. Des 1èresmesures sont effectuées en présence d’eau DI comme milieu fluidique et donnent les courbes bleues de la figure1.22b. Lorsque dans le milieu fluidique une solution de dextrose est ajoutée, le spectre de résonance est décalé vers le rouge de manière non négligeable (courbe rouge de la figure 1.22b). Ce décalage en longueur d’onde devient alors un indicateur

de changement de milieu environnant et peut se révéler intéressant comme capteur.

(a) (b)

Figure 1.22 – (a) Représentation schématique du barreau d’or sur un guide d’onde en nitrure de silicium. (b) Spectre d’extinction en fonction de la longueur d’onde pour une solution de dextrose ou d’eau DI. Extrait de [70].

Les deux types de structures présentés jusqu’ici ont chacun leur domaine d’application. Quand le 1er est utilisé pour piéger en parallèle des billes de polystyrène ou biologique, le 2ème est un capteur et détecte le changement de milieu environnant. Mais pour diminuer la taille des objets à piéger, il faut concentrer plus fortement la lumière. Une solution consiste à utiliser comme structure plasmonique un dimère couplé avec un guide d’onde.

Le travail de P. T. Lee met en évidence l’utilisation d’un guide d’onde en nitrure de sili-cium sur verre couplé avec un nœud papillon d’or pour le piégeage de manière expérimentale de particules de polystyrène de 1 µm de diamètre (figure1.23) [71]. L’excitation de la structure plasmonique est assurée par l’injection dans le guide d’onde d’un faisceau laser de longueur d’onde à 1500 nm. L’espacement entre les deux triangles est fixé à 30 nm mais en diminuant l’écart à 5 nm, il est possible de piéger des billes de 20 nm de diamètre d’après les résultats théoriques. La concentration du champ électrique au niveau des pointes, étant plus importante pour un faible écart, rend ce piégeage possible.

Plus récemment, le piégeage optique expérimental de particules de 100 nm de diamètre avec une configuration hybride composée d’une cavité de cristaux photoniques silicium et d’une structure plasmonique en nœud papillon a été démontré [72]. Un faisceau laser dont la longueur d’onde est proche de 1300 nm et de la taille de la cavité est utilisé pour créer le mode de Bloch. Par recouvrement des modes optiques, la structure plasmonique est excitée et piège les billes de polystyrène. L’image MEB de la structure est présentée sur la figure 1.24. L’avantage de cette structure est la très bonne efficacité d’excitation de la structure plasmonique par la cavité. La puissance incidente nécessaire au piégeage d’une bille de polystyrène de 100 nm de diamètre est

1.4. PINCES OPTIQUES INTÉGRÉES

Figure 1.23 – Représentation schématique du guide d’onde en nitrure de silicium et d’un nœud papillon. Extrait de [71].

alors plus faible que pour une structure en cristal photonique.

Figure 1.24 – Image MEB de la structure hybride composée d’un nœud papillon en or et d’une cavité en cristaux photoniques silicium. Extrait de [72].

L’obtention de résultats avec ce type de structure n’est possible qu’en présence d’un couplage entre la partie guidante et la partie plasmonique. En 2012, la démonstration du couplage, de manière théorique mais aussi expérimentale, entre un guide d’onde silicium et une chaîne de particules en or de forme elliptique positionnée au-dessus a été l’objet de la thèse de Mickaël Février au sein de l’équipe CIMPHONIE [73]. Le schéma de la structure est présenté sur la figure 1.25a. Les courbes de dispersion d’un guide d’onde et d’une chaîne infinie de particules d’or, visible sur la figure 1.25b et extrait de [74], montrent le couplage fort existant entre ces deux structures. En effet, ces courbes de dispersion, obtenues par FDTD, présentent un anti-croisement. Du fait de ce couplage fort, la chaîne de particules présente une résonance liée à l’excitation collective des électrons. La figure1.25cmontre les courbes de transmission théorique (rouge) et expérimentale (bleue) d’une chaîne de particules d’or au-dessus d’un guide d’onde SOI. Le minimum de transmission à la sortie du guide d’onde signifie le transfert d’énergie du guide d’onde vers la chaîne plasmonique.

(a) (b) (c)

Figure 1.25 – (a) Schéma de la structure utilisée composée d’une chaîne d’ellipses d’or au-dessus d’un guide d’onde silicium. Extrait de [73]. (b) Courbes de dispersion d’une chaîne infinie sur un guide d’onde SOI. Extrait de [74]. (c) Puissance optique théorique (rouge) et expérimentale (bleue) en fonction de la longueur d’onde de la structure présentée en (a). Extrait de [73].

C’est ce phénomène de transfert d’énergie qui a été exploité au cours de cette thèse pour le piégeage de particules en utilisant un guide d’onde silicium couplé à une chaîne de particules elliptiques localisée au-dessus.