Qu'est-ce que la nanophotonique ?

La nanophotonique (également connue sous le nom de nano-optique) décrit l'étude des interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique (milliardièmes d'un mètre), englobant les disciplines de l'optique, du génie optique, du génie électrique et de la nanotechnologie.

Il est important de noter que ces interactions surviennent à des échelles inférieures aux longueurs d'onde de la lumière, généralement dans une fourchette de 1 à 100 nanomètres (nm), où apparaissent des propriétés optiques distinctes, absentes à des échelles plus grandes.

Par conséquent, la nanophotonique comprend une gamme diversifiée d'interactions radiation-matière qui s'étendent bien au-delà des limites de diffraction de la lumière, appliquées dans les régions du proche infrarouge (IR), du visible et de l'ultraviolet (UV) du spectre électromagnétique (300-1 200 nm), ouvrant une gamme de possibilités dans la collecte de lumière, la technologie d'affichage, la détection optique, l'optique non linéaire, la transmission de données et plus encore.

Les physiciens, ingénieurs et scientifiques des matériaux qui cherchent à faire progresser le domaine des nanophotoniques se concentrent sur les interactions de la lumière avec des nanostructures telles que les nanoparticules métalliques, les nanotubes de carbone, les points quantiques semi-conducteurs, les cristaux photoniques et les tissus organiques (par exemple, l'ADN). Leur objectif principal est de développer des dispositifs nanophotoniques pour le contrôle efficace de la lumière.

Loin d'être un phénomène purement moderne, l'Homme cherche depuis des siècles à manipuler les propriétés de la lumière. Les couleurs changeantes des vitraux que l'on trouve dans les églises médiévales, par exemple, proviennent de l'ajout de nanoparticules métalliques, un phénomène que nous comprenons maintenant.

Dans l'ère moderne, les humains ont découvert des façons ingénieuses de contrôler les caractéristiques de la lumière, y compris son amplitude, sa phase, sa polarisation et sa localisation. Cela ouvre des perspectives passionnantes dans les domaines de l'optoélectronique, des communications optiques, de la collecte d'énergie solaire et d'autres domaines d'étude.

La nanophotonique, cependant, n'a émergé comme une discipline distincte que dans les deux dernières décennies, alimentée par une explosion dans le développement de nouveaux nanomatériaux métalliques, diélectriques et semi-conducteurs.

Ces matériaux sont particulièrement attrayants, car combinés à des outils modernes d'apprentissage automatique, de simulation et de calcul, ils peuvent être assemblés dans toutes les dimensions avec une précision quasi atomique. En outre, les ingénieurs peuvent tirer parti des mêmes méthodes que celles utilisées pour fabriquer des dispositifs semi-conducteurs, ce qui rend leur exploitation rentable.

En conséquence, la nanophotonique stimule l'innovation dans les domaines suivants :

• La technologie des cellules solaires, permettant la fabrication de nanoparticules métalliques présentant de fortes caractéristiques d'absorption sur une large gamme du spectre solaire, améliorant l'efficacité de la capture de la lumière tout en réduisant la taille des dispositifs
• La technologie des métalentilles, permettant des niveaux de focalisation et de polarisation de la lumière sans précédent tout en facilitant la miniaturisation des dispositifs, avec des applications prometteuses en spectroscopie et en détection
• La photonique médicale, permettant une modulation ultrarapide de la lumière pour la détection, la prévention et le traitement des maladies, facilitant ainsi des thérapies et diagnostics à distance non invasifs
• L'informatique optique, fournissant un traitement de l'information ultrarapide avec une faible consommation d'énergie

Dans la transmission de données à grande vitesse, les lignes de cuivre existantes présentent une dégradation du signal à mesure que la longueur des circuits augmente.

Les circuits à base de photons, avec la vitesse de fonctionnement élevée des photons comparable à celle des électrons, mais avec une consommation d'énergie beaucoup plus réduite, offrent une alternative prometteuse. Dans les centres de données stratégiques, par exemple, les circuits photoniques promettent de réduire les lignes de transmission de centaines de mètres à de simples mètres.

Au-delà de la limite de diffraction, il est possible de confiner la lumière à des échelles nanométriques grâce à de nouvelles approches comme les plasmons de surface (c'est-à-dire un rayonnement électromagnétique confiné) qui se forment autour des surfaces et structures métalliques.

La nanophotonique se concentre spécifiquement sur les interactions monophotoniques avec des nanostructures dans lesquelles des effets d'amélioration de champ se produisent lorsque le rayonnement électromagnétique devient confiné à des dimensions à l'échelle nanométrique. Ces interactions donnent lieu à des phénomènes optiques inédits qui peuvent être utilisés pour créer des dispositifs photoniques capables de commuter, stocker et transmettre la lumière à des dimensions nanométriques ; offrant des caractéristiques supérieures dépassant les limites imposées par la mécanique classique.

Néanmoins, manipuler les interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique présente des défis importants, nécessitant le développement de nouveaux matériaux, structures et processus.

La localisation de l'énergie et les interactions non linéaires sont des principes clés influençant la génération de lumière à l'échelle nanométrique. Par exemple, les processus d'émission spontanée tels que la photoluminescence, l'électroluminescence, la fluorescence et la diffusion Raman.

Les résonateurs optiques augmentent ces interactions grâce à des améliorations du champ électromagnétique. Les nanocavités plasmoniques en particulier constituent des résonateurs efficaces pour la mise au point de technologies de détection par émission. Dans les applications optiques non linéaires, les métaux en vrac, qui présentent une faible réactivité non linéaire, nécessitent des excitations de haute intensité, telles que des pompes ou des lasers, pour accroître la non-linéarité.

Pour réguler les intensités de rayonnement, on peut soit utiliser des cavités photoniques intégrées pour augmenter la présence de pompes, soit déployer des nanostructures plasmoniques pour obtenir des densités d'énergie hautement localisées. Les plasmons de surface quasi-2D fournissent des améliorations et des localisations d'intensité de champ sensiblement accrues (dépassant 10⁷ dans des limites de 20 nm), permettant la génération de seconde harmonique (SHG), idéalement appliquée à la détection et à l'imagerie haute résolution.

La recherche sur les nanostructures photoniques est le moteur du développement de la nanophotonique, favorisant des applications dans la nanomédecine, le diagnostic optique, la télédétection, la biotechnologie, les biomatériaux et les cellules solaires.

Méthodes de confinement en nanophotonique

Les chercheurs emploient trois approches pour restreindre les interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique :

1. Confinement de la lumière bien en dessous de la limite de diffraction de la lumière
2. Confinement de la matière
3. Confinement par photochimie ou transition de phase photoinduite (PIPT)

En ce qui concerne la matière, différentes méthodes sont employées, aboutissant à des structures exotiques comme les nanomères (oligomères de taille nanométrique avec des propriétés optiques dépendantes de la taille) et les nanoparticules présentant des propriétés électroniques et photoniques uniques.

En plasmonique, par exemple, les nanoparticules métalliques ont un champ électromagnétique amélioré, affichant des propriétés uniques, comme l'absorption de deux photons infrarouges et leur conversion en photon ultraviolet visible.

Dans d'autres contextes, les cristaux photoniques sont des structures diélectriques qui présentent une répétition périodique à une longueur correspondant à celle de la lumière. En outre, les nanocomposites se forment à partir de domaines de phase isolée de matériaux différents et sont employés dans les communications optiques.

Effets de confinement en nanophotonique

Les chercheurs utilisent une variété de géométries de confinement, y compris :

• La localisation axiale qui repose sur la formation d'ondes évanescentes et leurs interactions avec les plasmons de surface
• La localisation latérale, dans laquelle un échantillon est placé à une fraction de la longueur d'onde de la lumière incidente émanant d'une source lumineuse

Les ondes évanescentes en nanophotonique

Les ondes évanescentes sont des champs électriques ou magnétiques oscillants qui ne se propagent pas comme les ondes électromagnétiques conventionnelles. Au lieu de cela, elles concentrent leur énergie près de leur source, sans contribuer à la propagation de l'énergie dans aucune direction.

Les ondes évanescentes se forment lorsque la lumière subit une réflexion totale interne à une interface entre deux milieux ayant des indices de réfraction différents (comme à l'interface prisme-échantillon).

Les prismes sont généralement utilisés pour générer des ondes évanescentes qui interagissent avec les échantillons pour permettre des mesures. Fait intéressant, un champ électromagnétique peut également se désintégrer en composants évanescents et propagatifs dans certaines circonstances.

L'un des avantages des ondes évanescentes est qu'elles favorisent les interactions optiques à l'échelle nanométrique, surtout en matière de détection, permettant, par exemple, une détection efficace de sources de fluorescence en champ proche.

Des guides d'ondes couplés à ondes évanescentes ont également été proposés pour des applications de détection impliquant le transfert d'énergie entre les canaux de guide d'ondes. Ces guides d'ondes peuvent également être utilisés comme coupleurs d'ondes directionnels dans des réseaux de communication optique.

Résonance plasmonique de surface (SPR) en nanophotonique

Les plasmons de surface (SP) sont des oscillations collectives d'électrons libres à la surface des métaux. La résonance se produit lorsque la quantité de mouvement de la lumière incidente correspond à celle des plasmons de surface. Dans la résonance plasmonique de surface (SPR), des ondes évanescentes se forment et se couplent aux plasmons de surface sur les interfaces métal-diélectrique, renforçant considérablement les interactions lumière-matière.

La réflexion totale de la lumière interne est obtenue à l'aide d'un guide d'ondes (typiquement un film métallique mince sur un substrat diélectrique) au lieu d'un prisme. La réflexion totale atténuée (ATR) est la méthode privilégiée pour générer des ondes de plasmons de surface (SP).

Les polaritons de plasmon de surface (SPP) se forment lorsque la lumière se couple fortement aux plasmons de surface, se propageant le long d'une interface métal-diélectrique. Ils sont particulièrement favorisés pour leur capacité à confiner les champs électromagnétiques à des dimensions nettement inférieures aux longueurs d'onde de la lumière dans l'espace libre.

Optique des métaux en nanophotonique

Il s'avère que les métaux permettent de confiner efficacement la lumière en dessous de la limite de diffraction. Ceci s'explique par le fait que les métaux affichent une permittivité négative importante aux fréquences optiques (dans les zones visibles et proche infrarouge du spectre).

La permittivité (également connue sous le nom de constante diélectrique) dépend de la fréquence. À des fréquences approchant ou dépassant la fréquence de plasma (qui se situe dans la gamme des ultraviolets), elle devient moins grande et négative, rendant ainsi les métaux inefficaces pour soutenir les plasmons de surface.

Les métaux sont régulièrement employés dans l'ingénierie des radiofréquences et des micro-ondes, où, par exemple, des antennes et des guides d'ondes en métal de dimensions sous-longueur d'onde (des centaines de fois plus petits que la longueur d'onde de la lumière dans l'espace libre) parviennent à capter le rayonnement électromagnétique. Selon des principes similaires, la lumière peut également être confinée à des longueurs nanométriques grâce à l'application de structures métalliques de taille nanométrique telles que des nanoantennes, des nanofils et des nanotiges.

En réalité, de nombreuses conceptions de nano-optiques ressemblent à des circuits micro-ondes ou à ondes radio en employant des techniques de conception similaires, telles que des éléments de circuit à constantes localisées (par exemple, inductance et capacité), des guides d'ondes métalliques à plaques parallèles (lignes à rubans) et l'adaptation de l'impédance des antennes dipôles aux lignes de transmission.

Cependant, d'importantes différences subsistent entre la nano-optique et les circuits micro-ondes : À l'échelle nanométrique (et aux fréquences optiques), les métaux se comportent beaucoup moins comme des conducteurs idéaux, présentant également de nombreuses propriétés intéressantes, y compris la résonance plasmonique de surface et l'inductance cinétique. En outre, à des échelles nanométriques, les champs électromagnétiques interagissent avec les semi-conducteurs de façons radicalement différentes.

Optique non linéaire en nanophotonique

Comme la lumière se propage à travers des milieux non linéaires, dans lesquels la polarisation diélectrique répond de manière non linéaire aux champs électriques, elle induit des effets optiques inhabituels résultant en des phénomènes qui ne sont pas habituellement observés. Des effets optiques non linéaires peuvent être induits par l'introduction de métamatériaux métalliques, dans le but de réduire la taille des composants et d'accélérer le traitement du signal.

Particulièrement à des intensités de champ élevées (comme celles générées par les lasers), les effets optiques non linéaires deviennent significatifs. Cela génère de nouvelles fonctionnalités avec des applications importantes en nanophotonique, notamment :

• Conversion de fréquence : Cela se produit lorsque des processus optiques non linéaires tels que la génération de seconde harmonique, l'oscillation paramétrique optique, la conjugaison de phase optique et le mélange à quatre ondes permettent la génération de nouvelles fréquences de lumière, utiles dans la détection et l'imagerie haute résolution.
• Processus multiphotoniques : Les processus multiphotoniques non linéaires peuvent fournir de nouvelles façons de contrôler les interactions lumière-matière.
• Traitement ultrarapide : Les effets optiques non linéaires se produisent à des échelles de temps ultrarapides, permettant la modulation et la commutation de la lumière à haute vitesse.
• Miniaturisation des appareils : La photonique non linéaire facilite la miniaturisation des dispositifs, essentielle aux avancées des fonctionnalités sur puce.
• Nouveaux matériaux : Dans la quête d'améliorations non linéaires, de nouveaux matériaux sont en cours de découverte, incluant des verres, des cristaux, des semi-conducteurs, et plus récemment, des matériaux nanostructurés. Les métamatériaux entièrement diélectriques suscitent également de l'intérêt, présentant des pertes plus faibles par rapport à leurs homologues métalliques.
• Émetteurs quantiques : Des interactions non linéaires se produisent entre les émetteurs quantiques (tels que les points quantiques) et les guides d'ondes nanophotoniques, produisant de nouveaux effets nanophotoniques quantiques avec des applications dans les technologies quantiques émergentes.

Au fur et à mesure que les chercheurs maîtrisent le contrôle du flux, de la phase, de l'amplitude et de la polarisation de la lumière à des dimensions sous-longueur d'onde, ils sont capables de diffuser, réfracter, confiner et filtrer cette lumière de manière fascinante et innovante. Cela ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine des circuits intégrés, de l'informatique optique, de la biochimie, de la médecine, des technologies de piles à hydrogène, des technologies de cellules solaires et plus encore.

Voici un résumé des principales applications en nanophotonique.

Nanolasers

Aux interfaces métal-diélectrique, les polaritons de surface plasmoniques peuvent être utilisés pour contraindre les lasers à des échelles sous-longueur d'onde. Le nanolasing est réalisé grâce à une inversion de population d'émetteurs tels que des points quantiques et des fluorophores, combinée à un retour d'information généré par des structures résonnantes plasmoniques.

Les nanolasers présentent une variété de propriétés souhaitables utiles dans la communication optique, y compris la modulation rapide (améliorant la transmission de données) et le courant de seuil bas (améliorant l'efficacité énergétique).

Les spasers (amplification des plasmons de surface par émission stimulée de radiation) sont la version plasmonique des lasers (amplification de la lumière par émission stimulée de radiation), impliquant l'amplification des plasmons de surface localisés oscillants (LSP) au sein de nanoparticules métalliques.

Les nanolasers et les amplificateurs de plasmons de surface intéressent les chercheurs, car ils permettent une émission stimulée cohérente allant jusqu'à et au-delà de la limite de diffraction, avec des applications dans la détection et l'imagerie à haute résolution, ainsi que dans le traitement de données optiques et électroniques.

Photodétecteurs

Les photodétecteurs jouent un rôle central dans les circuits optoélectroniques et microélectroniques en raison de leur capacité à détecter et à convertir la lumière en signaux électriques, ce qui offre une large gamme d'applications dans les dispositifs, y compris :

• Les détecteurs d'avalanche à photon unique (SPAD), capables de détecter des signaux de faible intensité jusqu'à des photons individuels (avec une haute résolution spatio-temporelle), sont utilisés, par exemple, dans le lidar, l'imagerie 3D et l'imagerie par PET
• Les dispositifs de communication à fibre optique tels que les diodes à l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) sont capables de détecter des signaux infrarouges à haute vitesse transmis par fibres optiques, permettant des débits de communication de données allant jusqu'à 2,5 giga-octets par seconde
• Les appareils de réseau optique comme les détecteurs intégrés dans des guides d'ondes proches infrarouge
• Les instruments de télédétection utilisés en astronomie pour détecter une large gamme de longueurs d'onde allant de l'infrarouge lointain aux rayons gamma
• Les appareils de surveillance de l'environnement utilisés pour détecter des traces d'agents chimiques et biologiques
• Les cellules photovoltaïques qui convertissent la lumière du soleil en énergie électrique
• Les capteurs CCD (dispositif à transfert de charge) et CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire) utilisés dans les appareils photo numériques et autres dispositifs d'imagerie
• Les systèmes de contrôle d'accès pour bâtiments

Commutation entièrement optique

Dans les métamatériaux plasmoniques, l'ajustement des résonances plasmoniques des composants individuels dans les circuits intégrés, et du couplage électromagnétique entre eux, peut permettre le commutateur tout-optique. Les résonances plasmoniques et les couplages peuvent être ajustés en modifiant les indices de réfraction du diélectrique ou du substrat environnant, ce qui améliore les réponses non linéaires. Contrôlant le pouvoir de liaison des excitons moléculaires, les excitations plasmoniques conduisent à une modulation tout-optique efficace.

Stockage de données

Dans le stockage de données optiques, des structures optiques de champ proche sous-longueur d'onde, soit intégrées dans le support d'enregistrement, soit séparées de celui-ci, peuvent être utilisées pour atteindre des densités d'enregistrement optique bien en dessous de la limite de diffraction.

Lors de l'enregistrement magnétique assisté par la chaleur, un laser chauffe une zone sous-longueur d'onde de matériau magnétique avant l'encodage des données, augmentant ainsi la densité de données stockées par unité de surface. La tête d'écriture magnétique comprend également des composants optiques métalliques qui concentrent la lumière.

Photonique sur silicium

La photonique sur silicium implique des dispositifs optoélectroniques à l'échelle nanométrique intégrés sur des substrats en silicium, capables de diriger à la fois la lumière et les électrons, permettant ainsi le couplage des fonctionnalités électroniques et optiques sur un seul dispositif intégré. La photonique sur silicium alimente des innovations dans les guides d'ondes optiques et les interconnexions, les amplificateurs optiques, les modulateurs de lumière, les photodétecteurs, les éléments de mémoire, les cristaux photoniques et bien plus encore.

Circuits intégrés

Les fabricants utilisent la photolithographie pour fabriquer des circuits intégrés tels que des microprocesseurs et des puces mémoires. Lors de la photolithographie, différents types de lumière, y compris la lumière ultraviolette, ultraviolette extrême et les rayons X, sont utilisés pour transférer des motifs géométriques nanométriques depuis un photomasque vers un matériau photosensible appelé photorésist (un matériau photosensible appliqué sur un substrat, généralement une plaquette de silicium).

En outre, la miniaturisation des composants électroniques (tels que les transistors) dans les circuits intégrés est essentielle pour améliorer la vitesse et la rentabilité. Cependant, dans les circuits optoélectroniques, où la communication sur puce implique le transfert de signaux optiques d'une partie de la puce à une autre à l'aide de guides d'ondes, cela n'est possible que si les composants optiques sont également miniaturisés.

Biocapteurs

Les biocapteurs nanophotoniques comptent parmi les systèmes de détection les plus fiables et précis qui existent. Ces biocapteurs incorporent des transducteurs et des récepteurs optiques. Les récepteurs réagissent aux variations physiques et chimiques du transducteur, entraînant des variations d'absorption, de réflexion, de réfraction, de fluorescence, de phase et de fréquence dans les signaux lumineux.

Ces dispositifs autonomes détectent des quantités infimes de molécules (ou analytes) à l'aide de composants de bioreconnaissance tels que l'ADN, les anticorps ou les enzymes. Ces interactions entraînent des altérations des propriétés optiques du transducteur qui peuvent être corrélées aux concentrations d'analyte.

Les biocapteurs optiques reposent sur des champs évanescents, intégrant la photonique sur silicium et la nanoplasmonique. Dans les biocapteurs basés sur la résonance plasmonique de surface (SPR) et les guides d'ondes diélectriques, la période de décroissance du champ évanescent est sensiblement plus longue que celle de la majorité des analytes biomoléculaires (de l'ordre de 200 à 400 nm).

Les biocapteurs optiques offrent un moyen non invasif et fiable de détecter les agents biochimiques, en s'appuyant sur des interactions en temps réel à la surface du capteur sans nécessiter l'application d'étiquettes ou de colorants.

Métasurfaces

Dans la quête d'améliorations du champ non linéaire, les métasurfaces sont des nanostructures artificielles formées de nanostructures sous-longueur d'onde telles que des nanobâtonnets et des nanoperforations qui diffusent la lumière. Ainsi, elles permettent un contrôle précis de la phase, de l'amplitude et de la polarisation de la lumière à l'échelle nanométrique, permettant par exemple la formation de :

• Superlentilles formées à partir de métasurfaces présentant une permittivité et une perméabilité négatives (indice de réfraction négatif) capables de focaliser la lumière au-delà de la limite de diffraction, particulièrement utiles en microscopie
• Milieux de compensation de phase, qui combinent des matériaux à double négativité avec des matériaux à indice positif
• Des surfaces dissimulées constituées de métasurfaces présentant un indice de réfraction quasi nul, dans lesquelles la permittivité ou la perméabilité relative sont proches de zéro

La nanophotonique présente un potentiel considérable dans la recherche de technologies compactes et économes en énergie, capables de fournir des fonctionnalités multimodales à des échelles de plus en plus réduites.

Les dispositifs photoniques, tels que les câbles à fibre optique, transmettent d'énormes quantités de données, mais ils sont limités par leur taille plus grande par rapport aux dispositifs électroniques. La prochaine étape consiste à combiner les énormes capacités de transport de données de la photonique avec les capacités de traitement de signaux rapides de l'électronique.

Le logiciel Ansys Lumerical FDTD^TM est le logiciel de référence pour la modélisation des dispositifs, des processus et des matériaux nanophotoniques. Le logiciel FDTD permet des conceptions photoniques avancées d'une large gamme de dispositifs, y compris des réseaux, des empilements multicouches, des microLED, des capteurs d'image et des métalentilles, ainsi qu'un prototypage rapide à travers des milliers d'itérations ; intégrant, entre autres :

• les solveurs FDTD, d'analyse rigoureuse par ondes couplées (RCWA) et STACK dans un environnement de conception unique
• Analyse rapide des structures périodiques avec le solveur RCWA
• Analyse rapide des couches minces multicouches
• Extraction automatisée des paramètres S
• API d'automatisation (script Lumerical, Python et MATLAB)
• Compatibilité avec la fonderie

De plus, le logiciel FDTD s'intègre parfaitement au logiciel Ansys Lumerical CML Compiler ^TM, aux solveurs multiphysiques Ansys, au logiciel Ansys Speos®, au logiciel Ansys Zemax OpticStudio ^TM et aux logiciels tiers d'automatisation de la conception photonique électronique (EPDA), garantissant ainsi des conceptions photoniques rapides, précises et évolutives.

Tirez parti du solveur FDTD, reconnu comme le meilleur de sa catégorie, sur des solutions de calcul haute performance (CPU et GPU) et dans le cloud, afin de relever rapidement et efficacement les défis les plus complexes en nanophotonique.

Ressources connexes