La photonique micro-nano étudie principalement les lois d'interaction entre la lumière et la matière à l'échelle micro et nanométrique, ainsi que leurs applications dans la génération, la transmission, la régulation, la détection et la mesure de la lumière. Les dispositifs photoniques micro-nano sub-longueur d'onde permettent d'améliorer significativement l'intégration des photons et l'on prévoit d'intégrer des dispositifs photoniques dans des puces optiques de petite taille, à l'instar des puces électroniques. La plasmonique de surface à l'échelle nanométrique est un domaine émergent de la photonique micro-nano qui étudie l'interaction entre la lumière et la matière dans les nanostructures métalliques. Elle se caractérise par une taille réduite, une vitesse élevée et la capacité de s'affranchir des limites de diffraction traditionnelles. La structure de guide d'ondes nanoplasma, qui présente une forte amplification du champ local et d'excellentes propriétés de filtrage par résonance, est à la base des nanofiltres, des multiplexeurs en longueur d'onde, des commutateurs optiques, des lasers et d'autres dispositifs optiques micro-nano. Les microcavités optiques confinent la lumière dans des régions infimes et amplifient considérablement l'interaction lumière-matière. De ce fait, les microcavités optiques à facteur de qualité élevé constituent une solution prometteuse pour la détection et la mesure de haute sensibilité.
microcavité WGM
Ces dernières années, les microcavités optiques ont suscité un vif intérêt en raison de leur important potentiel d'application et de leur intérêt scientifique. Elles se composent principalement de microsphères, de microcolonnes, de microanneaux et d'autres géométries. Ce sont des résonateurs optiques dont la morphologie est déterminante. Les ondes lumineuses y sont totalement réfléchies à l'interface, générant un mode de résonance appelé mode de galerie (WGM). Comparés à d'autres résonateurs optiques, les microrésonateurs présentent des caractéristiques telles qu'un facteur de qualité élevé (supérieur à 10⁶), un faible volume modal, une taille réduite et une intégration aisée. Ils sont notamment utilisés dans la détection biochimique de haute sensibilité, les lasers à seuil ultrabas et les applications non linéaires. Notre objectif de recherche est d'identifier et d'étudier les caractéristiques des différentes structures et morphologies de microcavités, et d'exploiter ces nouvelles propriétés. Nos principaux axes de recherche portent sur : les caractéristiques optiques des microcavités WGM, leur fabrication et leurs applications.
Détection biochimique par microcavité WGM
Dans cette expérience, le mode WGM d'ordre quatre M1 (figure 1a) a été utilisé pour la mesure. Comparée au mode d'ordre inférieur, la sensibilité du mode d'ordre supérieur a été considérablement améliorée (figure 1b).
Figure 1. Mode de résonance (a) de la cavité microcapillaire et sa sensibilité à l'indice de réfraction correspondante (b)
Filtre optique accordable à facteur Q élevé
Tout d'abord, la microcavité cylindrique à variation radiale lente est extraite, puis l'accord de longueur d'onde est obtenu en déplaçant mécaniquement le point de couplage selon le principe de la forme et de la taille, la longueur d'onde de résonance étant déterminée (figure 2a). Les performances d'accordabilité et la bande passante de filtrage sont illustrées sur les figures 2b et 2c. De plus, le dispositif permet une détection de déplacement optique avec une précision subnanométrique.
Figure 2. Schéma d'un filtre optique accordable (a), performances accordables (b) et bande passante du filtre (c)
résonateur à goutte microfluidique WGM
Dans une puce microfluidique, et plus particulièrement pour une gouttelette dans l'huile (gouttelette-dans-huile), grâce aux caractéristiques de la tension superficielle, une gouttelette de quelques dizaines, voire centaines de microns de diamètre, reste en suspension dans l'huile, formant une sphère quasi parfaite. L'optimisation de l'indice de réfraction confère à la gouttelette un rôle de résonateur sphérique parfait, avec un facteur de qualité supérieur à 10⁸. Ce procédé évite également le problème d'évaporation dans l'huile. Les gouttelettes relativement grosses, quant à elles, ont tendance à se déposer sur les parois latérales, supérieure ou inférieure, en raison des différences de densité. Ce type de gouttelette ne peut alors être excité que latéralement.
Date de publication : 23 octobre 2023