Etudes des structures nano-photoniques pour des applications à la bio-détection

Abstract

Résumé Les cristaux photoniques sont des matériaux hétérogènes artificiels ou naturels dont l’indice de réfraction varie périodiquement dans les différentes directions de l’espace et constituent à l’heure actuelle une nouvelle classe de matériaux. Ils détiennent de ce fait, la caractéristique de pouvoir prohiber la propagation des ondes dans une gamme de longueurs d'ondes de l'ordre de la période de la structure. Ces structures artificielles sont réalisées dans le but d'ouvrir une bande interdite dans différentes directions. L’ouverture de cette bande interdite est due à la variation périodique de l'indice diélectrique. Ces propriétés rendent les cristaux photoniques attrayant pour de nombreuses applications. Par exemple, les applications potentielles des matériaux à bande interdite photonique sont nombreuses et variées: séparateurs, spires, production de cavités résonnantes de très petite taille, guides d'ondes, fibres optiques, filtres sélectifs, et capteur. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier des structures nano-photoniques pour des applications à la bio-détection. Les derniers développements de la technologie de micro et nano-structuration montrent une énorme flexibilité dans la sélection de la composition des matériaux, le rayon des tiges (ou trous), le pas du réseau ainsi que la symétrie de ces dispositions, autorisant la fabrication des cristaux photoniques avec des structures incorporant intentionnellement des défauts placés dans les seins de leurs réseaux. De ce fait, la structure des modes associés de ces cristaux photoniques peut être adaptée quasiment à tous les besoins et spécialement dans le domaine de la détection. Par suite de fort confinement des photons au sein des défauts linéaires comme les guides d'ondes et les défauts locaux comme les microcavités réalisés dans ce type de structures, des résolutions extrêmement supérieures de l’ordre de la mono molécule soit du volume ultime de l'ordre du femto litre peuvent être atteintes au moyen des capteurs fabriqués par la technologie des cristaux photoniques. Ainsi, les cristaux photoniques rend possible la réalisation de capteurs de songe et permettent aussi de concevoir sur une seule puce de vrais laboratoires. Ensuite en rajoutant des matériaux organiques, inorganiques, gazes et liquides au sein des structures cela nous permettra d'orienter notre travail sur les biocapteurs. Ce travail entre dans ce contexte, en fait nous allons concevoir des biocapteurs. Ces biocapteurs offrent plusieurs avantages en termes de puissance, sensibilité, de facteur de qualité (Q) et de détection large. Pour cela, nous nous sommes basés, dans notre étude, sur plusieurs matériaux dans les différents états de la matière en étudiant et simulant plusieurs structures formées avec des filtres conçus à leurs tours par des différents résonateurs en annaux à base de cristaux photonique bidimensionnels. Afin d'effectuer ces simulations, nous avons utilisé deux logiciels, le premier est appelé MATLAB en utilisant la méthode des ondes planes (PWE) grâce aux équations de maxwells pour extraire la bande interdite photonique, et le deuxième est appelé COMSOL, basé sur la méthode des éléments finis (FEM) pour extraire différents paramètres comme, la distribution du l'indice de réfraction avec le maillage le long de la structure, la distribution du champ électrique, la densité d'énergie totale (TED), la norme de flux de puissance (P), la transmission (T) et dans le but d'extraire aussi le facteur de qualité (Q) et la sensibilité, ..Etc. Les biocapteurs étudies ont montres leurs efficacités en termes de flux de puissance, densité d'énergie totale, transmission, facteur de qualité et sensibilité par rapport à chaque matériau injecter qu'il soit solide, gaz ou liquide. Cette efficacité est due au paramètre important qui est l'indice de réfraction ‘n’ représenté par chaque matériau étudie ainsi que d'autres paramètres importants aussi tels que, le rayon 'r' et la constante du réseau ‘a’.