Des chercheurs développent un amplificateur de plasmons
Des chercheurs de l’Université de l’Islande, de l’Université de Cologne et de l’Institut Fraunhofer Jena ont démontré une amplification optique positive dans un guide d’onde plasmonique. Les résultats du groupe, publiés dans le journal Nature Photonics, représentent une avancée majeure dans le domaine de la plasmonique. L’amplification optique est la seule stratégie viable pour permettre à la lumière de voyager sur de longues distances lorsqu’elle est confinée dans un mode plasmonique. Atteindre une telle propagation macroscopique des ondes de plasmon de surface est essentielle pour de nombreuses applications de la technologie émergente plasmonique, qui vont de dispositifs de communication compacts au dispositifs de calcul optique en passant par des outils de détection et caractérisation des cellules des particules virales, ou même des molécules uniques.
Un plasmon de surface est une excitation collective impliquant tous les électrons de conductance d’une couche métallique qui se déplacent par rapport aux ions positifs et statiques du métal. Le diagramme illustre ce phénomène. La recherche sur la plasmonique, une branche relativement nouvelle de l’optique, a reçu une augmentation du niveau de l’attention internationale pendant la dernière décennie. Cet intérêt s’explique principalement par le fait que les plasmons de surface, qui se déplacent le long de l’interface entre un métal et un diélectrique, permettent le confinement de l’énergie optique à l’intérieur de volumes nettement plus petits que ceux obtenus à l’aide des structures diélectriques conventionnelles telles que les fibres optiques.
En plus d’être d’un intérêt fondamental en soi, l’énergie optique fortement focalisée peut être utilisé comme une ‘nano-sonde’ fournissant des mesures dans des domaines comme la physique du solide, la chimie et les sciences de la vie. En outre, le confinement étroit du champ optique est une caractéristique intéressante car elle promet des dispositifs optiques avec des dimensions réduites. Cela est particulièrement intéressant pour les domaines des communications optiques, de l’informatique optique et des circuits hybrides microélectronique/optique. Toutefois, dans des circonstances normales, l’énergie optique se déplace sur de très courtes distances dans les guides plasmoniques, avant qu’elle ne soit absorbé par perte ohmique dans le métal.
Bien que la conception intelligente peut légèrement augmenter la longueur utile des guides plasmoniques, il est largement admis que la seule façon de surmonter complètement ce problème est d’ajouter un mécanisme qui amplifie la lumière en permanence le long de son déplacement dans le guide d’ondes plasmoniques.
Cependant, l’intégration de tels amplificateurs plasmoniques s’est avéré une tâche difficile. L’équipe de chercheurs a développé une structure qui offre une amplification suffisante pour surmonter l’absorption intrinsèque d’un guide d’ondes plasmoniques. En fait, l’amplification optique est suffisante pour assurer un gain net de la lumière plasmonique pendant son déplacement le long du guide d’ondes. Les chercheurs ont utilisé une structure composée d’un film ultra-mince d’or incorporé dans un polymère très fluorescent pompé optiquement par une source laser ultra-rapide. La structure a été conçue pour canaliser la lumière générée par le polymère fluorescent vers le guide d’onde plasmoniques. Alors que l’onde plasmonique se déplace le long du guide d’onde, son intensité est augmentée par une émission stimulée de l’énergie optique stockées dans le polymère fluorescent.
« Pendant de nombreuses années, la question des pertes de propagation dans les guides plasmoniques a été un obstacle majeur pour le développement de dispositifs qui font usage des effets des plasmons de surface », explique Klaus Meerholz. « La clé du succès de nos travaux est que nous avons trouvé un moyen d’intégrer les guides plasmoniques dans un polymère fluorescent amplificateur sans trop affecter les propriétés du guide d’onde », explique Malte Gather.
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