Etude de l'impact d'une pointe SNOM sur les propriétés des modes optiques d'une cavité à base de cristaux photoniques

par Gaëlle Le Gac

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Anne-Ségolène Callard.

Soutenue le 08-12-2009

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .

Le président du jury était Frédérique de Fornel.

Le jury était composé de Christian Seassal, Pablo Aitor Postigo.

Les rapporteurs étaient Paul Moretti, Gilles Lerondel.


  • Résumé

    Les cristaux photoniques (CP) nous fournissent un moyen sans précédent de contrôler et de confiner les photons. En particulier, les cristaux photoniques membranaires (CP-2D) (confinement vertical par réflexion totale interne), et l’effet de bande interdite photonique (confinement dans le plan), jouent un rôle très important en nanophotonique. En introduisant des défauts dans le cristal (omission d’un ou de plusieurs motifs), il est possible de générer des modes optiques très localisés, possédant un faible volume modal et un grand facteur de qualité. Coupler un émetteur unique à ce type de mode peut être alors utile pour exalter ou inhiber sa dynamique. L’efficacité du couplage dépend à la fois de l’accord en longueur d’onde entre l’émetteur et le mode optique ainsi que de leur recouvrement spatial, c’est pourquoi le contrôle du couplage entre l’émetteur et le mode localisé doit être optimal. Il est donc crucial de connaître le profil du mode dans la cavité à une échelle suffisamment petite. Jusqu’à présent, le SNOM s’est révélé un outil de caractérisation particulièrement bien adapté à l’observation directe du champ dans des structures nanophotoniques. En effet, il permet d’accéder aux parties évanescentes des modes, livrant ainsi des informations locales, inaccessibles par des mesures classiques en champ lointain. Cependant, le potentiel des structures à base de CP-2D pour développer de nouveaux composants photoniques serait considérablement accru si leurs propriétés optiques pouvaient être modifiées après fabrication. En particulier, pour les structures actives, la capacité à accorder de manière réversible une cavité à l’emission ou à l’absorption d’une source est de grand intérêt. Dans cette étude, l’idée est donc d’utiliser la sonde d’un SNOM dans le but de perturber la résonnance (longueur d’onde, facteur de qualité) d’un mode. Dans ce travail, Nous concevons et optimisons une cavité linéaire dans laquelle sept trous ont été omis (CL7). Nous étudions théoriquement les propriétés de la cavité et particulièrement un mode présentant un bon facteur de qualité. Ensuite, l’interaction de pointes champ proche avec les modes de la CL7 et en particulier l’effet du matériau de la pointe sur l’émission en longueur d’onde et les pertes induites relatives sont étudiés. Dans ce but, une pointe est introduite dans des simulations FDTD-3D, soit avec l’indice de la silice (1.44), soit avec l’indice du silicium (3.4). Ensuite, l’effet de la forme de la pointe sur les cartographies est étudié, et particulièrement l’influence de la polarisabilité et de la section efficace. Les cavités CL7 sont fabriquées et caractérisées par un dispositif d’optique réfractive et par un microscope optique de champ proche. Le mode fondamental, présentant un effet laser, est utilisé pour étudier l’interaction ave la pointe champ proche. Des caractérisations SNOM avec une pointe en silice et une pointe hybride silice/silicium sont réalisées sur la cavité CL7 et nous démontrons que la pointe en silice recouverte de silicium provoque un décalage en longueur d’onde de l’ordre de quelques nanomètres, de 5 à 10 fois supérieur que la largeur intrinsèque du pic. La pointe en silice induitdes décalages en longueur d’onde de l’ordre du dixième de nanomètre, qui n’est pas détecté par notre montage expérimental. Nous démontrons également l’importance de la forme de la pointe lors de l’observation directe et locale de la distribution du champ avec le SNOM. Nous montrons qu’une pointe isotrope de bas indice peut être utilisée comme un outil de caractérisation passive car la cartographie champ proche donne une bonne approximation du mode tel qu’il existe dans la structure sans présence de la pointe. A l’inverse, une pointe anisotrope donne une information partielle car elle ne convertie le champ que dans la direction du petit axe.


  • Résumé

    Photonic crystals (PC) provide us with an unprecedented ability to control and confine photons. In particular, PC slab structures (2D-PC), which rely on total internal reflection for the vertical optical confinement, and the photonic bandgap effect for the in-plane confinement, play an increasingly important role in nanophotonics. When combined with defect engineering, such structures can support localized modes with small mode volumes and large quality factors. When coupled to a single emitter like a quantum dot, these PC structures can be used to enhance or inhibit the dynamics of the source. The efficiency of the coupling between the emitter and the cavity depends both on the spectral matching and the spatial overlap between the cavity mode and the emitter. To address the issue of the optimal positioning of an emitter inside a cavity it is crucial to know the actual cavity mode profile on a small enough scale. For that purpose, near-field scanning optical microscopy (NSOM) has proved to be an invaluable tool as it gives us access to the mode profiles inside the cavity with a spatial resolution beyond what can be achieved with far-field techniques. We show that the near-field probing yields important information such as the local spectral response of a structure, or light intensity distribution inside a nanophotonic component. However, the potential of 2D-PC structures to foster new photonic devices would be greatly enhanced if their optical properties could be modified after fabrication. In particular, for active structures, the ability to post-tune, in a reversible way, a cavity to match the emission or absorption line of an emitter is of great interest. A near-field optical microscope (NSOM) can be used to achieve this effect. In this work, we design and optimize a linear cavity with seven holes missing (CL7). We study theoretically the properties of the cavity and especially the fundamental mode presenting a good quality factor. Then, the interaction of near-field probes with the modes of the CL7 and, in particular, the effect of the probe material on the emission wavelength and the relative induced losses are investigated. For this purpose, a tip is introduced in the 3D-FDTD simulations, either with silica index (1.44) or with silicon index (3.4). Then, the effect of the probe shape on the cartography is studied, particularly the influence of the polarisability and the cross-section. The CL7 cavity are fabricated and characterized by refractive optical set-up and by near-field optical microscope. Laser emission is achieved and the mode presenting laser effect is used to investigate the interaction with the near-field probe. NSOM characterization with a bare silica tip and an hybrid silica/silicon tip are made on CL7 cavity and we demonstrate the silicon-coated tip induces a shift in the range of a few nanometers, from 5 to 10 times higher than the intrinsic linewidth of the peak. The silica tip induces wavelength shifts in the range of 0.1 nm, which is not detected by our set-up. We also demonstrate the importance of the probe shape when observing directly and locally the field distribution with NSOM. We show that an isotropic low index tip can be used as a passive tool as the near-field map gives a good approximation of the mode as it exists in the structure without the tip. Conversely, an anisotropic tip gives partial information as it will convert the field in the direction of the small axis.


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