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Rayonnement lumineux et champ électromagnétique dans des nanostructures photoniques

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Caractériser précisément l’émission et la propagation de la lumière dans des nanostructures photoniques est nécessaire pour l’application de ces structures en opto-électronique. L’équipe « Nanostructures et optique » de l’INSP a étudié des nanostructures photoniques en combinant des analyses spatiale et angulaire de leur rayonnement. Il a alors été possible de montrer que différents points de la même nanostructure émettaient la lumière suivant différentes directions, reflétant la structuration de la distribution du champ électromagnétique à l’intérieur de cette structure.

Les nanostructures photoniques étudiées sont constituées d’un miroir de Bragg (empilement périodique de couches diélectriques présentant une forte réflexion par interférences constructives, fabriquées dans le cadre d’une collaboration avec le LPN à Marcoussis) recouvert d’un disque métallique (fortement réfléchissant ; fig. 1a). La lumière peut donc être confinée à l’interface entre le miroir de Bragg et le miroir métallique : ces modes électromagnétiques, appelés « modes de Tamm optiques », permettent un contrôle souple du confinement de la lumière ; des applications pour la fabrication de nanolasers ou de sources de photons uniques optimisées ont été démontrées. En insérant dans une structure à mode de Tamm des émetteurs fluorescents (nanocristaux de CdSe/CdS fournis par l’ESPCI à Paris), on peut exciter ces modes de Tamm et étudier leur rayonnement par microscopie.

La distribution angulaire du rayonnement est mesurée en plaçant une caméra dans le plan focal image de l’objectif du microscope. En sélectionnant de plus l’émission issue d’une portion donnée (de diamètre 1,5 µm) du disque métallique (fig. 1a), nous avons pu réaliser une caractérisation du rayonnement résolue spatialement et angulairement. La figure 1(b) montre la distribution angulaire du rayonnement en trois points différents d’un disque à modes de Tamm de 10 µm. Il faut noter une difficulté intrinsèque à cette mesure : les distributions spatiale et angulaire du champ électromagnétique étant conjuguées (transformées de Fourier l’une de l’autre), il est impossible de connaître ces deux quantités avec une précision illimitée – en d’autres termes, la sélection spatiale d’une portion de l’échantillon aboutit à diffracter l’émission donc à élargir sa distribution angulaire.

JPEG Figure 1

(a) Schéma de la nanostructure à modes de Tamm optiques et de la mesure réalisée.
(b) Distribution angulaire du rayonnement d’un disque à modes de Tamm de 10 µm, considérée en 3 positions différentes sur le disque : mesures expérimentales et simulations 2D réalisées par méthode d’éléments finis.

La figure 1(b) montre clairement que les différents points du disque à modes de Tamm ne rayonnent pas tous dans la même direction ; la portion gauche du disque rayonne vers la gauche, tandis que la portion droite rayonne vers la droite. Ce comportement peut s’expliquer en examinant la distribution du champ électrique dans la structure (simulation 2D par un calcul d’éléments finis, fig. 2) : le champ rayonné vers le haut de la figure présente des fronts d’onde orientés vers la droite pour la partie droite de la structure, et vers la gauche pour sa partie gauche (sens de propagation indiqué par des flèches roses). Cette forme de rayonnement reflète la distribution du champ électrique à l’intérieur de la structure : les fronts d’onde du champ propagatif rayonné suivent la direction d’alignement (traits pointillés violets) des ventres et nœuds du champ confiné dans la structure. Les diagrammes de rayonnement théoriques sont qualitativement en accord avec les résultats expérimentaux (fig. 1b), confirmant la pertinence de ces mesures.

JPEG Figure 2

Distribution du champ électrique dans la nanostructure à modes de Tamm (zone de dimensions 2 x 10 µm²).

La combinaison des analyses spatiale et angulaire permet donc d’accéder à des informations supplémentaires sur le rayonnement de nanostructures photoniques. Des mesures en cours sur les structures à modes de Tamm montrent, de plus, que la direction globale d’émission dépend de la position de l’émetteur fluorescent dans la structure : ainsi, contrôler la position d’un émetteur unique au sein du disque fournirait un moyen de choisir la direction de son rayonnement lumineux. .

Référence
« Spatial and Fourier-space distribution of confined optical Tamm modes »
Fu Feng, Willy Daney de Marcillac, Xavier Lafosse, Simone Luca Portalupi, Michel Nasilowski, Benoît Dubertret, Jean-Marc Frigerio, Catherine Schwob, Agnès Maître, Pascale Senellart, Laurent Coolen
New Journal of Physics, 18, 083018 (2016)

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Laurent Coolen