Composants optiques à base de cristaux photoniques pour applications à l'imagerie infrarouge

Photonic crystal based optical devices for infrared detection and imaging

• Auteur / Autrice : Maxence Hofman
• Direction : Olivier Vanbésien, Didier Lippens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologies
• Date : Soutenance le 23/11/2011
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie en champ proche

Lentilles (optique)

Indice de réfraction négatif

Tomographie

Imagerie infrarouge

Optique intégrée

Nanophotonique

Cristaux photoniques

Métamatériaux

Mots clés libres

Ultra-réfraction

Résumé

Ce travail porte principalement sur un composant issu des concepts d'ingénierie de dispersion des métamatériaux et des cristaux photoniques qu'est la "superlentille". Un bref rappel des fondamentaux sur les cristaux photoniques bidimensionnels pour l’étude des structures de bandes est fait, avant de présenter les différents régimes de réfraction extraordinaires que l’on peut mettre en évidence en exploitant l’isotropie et/ou l’anisotropie des courbes de dispersion. Une lentille plate à cristaux photoniques ainsi que les solutions envisagées pour en optimiser la résolution et l’adaptation à son milieu environnant sont présentées (collaboration Institut Fresnel/Marseille). Les méthodes de fabrication de cette lentille, issues des technologies de la nanoélectronique, sont également présentées. L'originalité de notre procédé réside en sa simplicité car il ne nécessite qu'un seul niveau de masque pour la lithographie électronique et la gravure profonde pour transférer la totalité de notre dispositif sur l'échantillon. Les caractérisations sont effectuées grâce à un microscope optique en champ proche (ICB / Université de Dijon) et les images interprétées, en recourant notamment aux résultats de simulations tridimensionnelles. Nous explorons ensuite une application dans le domaine de la détection de cibles et de l’imagerie, basée sur les techniques de tomographie en réflexion. Enfin, des dispositifs exploitant une ingénierie localisée de l'indice issus des techniques de l’optique de transformation de type lentilles à gradient d’indice et tapis magiques sont abordés afin d'élargir notre champ d’applications.

This work is devoted to the « superlens », a photonic device issued from dispersion engineering concepts. A brief review of the basic concepts of two dimensional photonic crystals for band structure formation is given, followed by a presentation of the different regimes of ultra-refraction which can be evidences by exploiting the isotropy and/or anisotropy of the dispersion branches. The negative refraction properties of a fully dielectric heterostructure aimed to operate at 1.55 µm are detailed, as well as a full study of a photonic crystal based flat lens. In that case, efforts are devoted to the optimization of the resolution and to the device matching to its environment (collaboration : Fresnel Institute in Marseille). The fabrication process for such a lens, which makes use of advanced tools of nanoelectronics, is then presented. The originality of our process stands in its simplicity since only one mask level is used, for the lithography and the deep etching, to transfer the full design on the sample. Characterization is done using a SNOM (ICB / Dijon University) ant the images are interpreted using three-dimensional simulation results. Then, we explore a specific application in the domain of target detection and imaging, using tools of reflecting tomography, for which the flat lens could bring an added value compared to classical approaches. Finally, devices exploiting a local dispersion index engineering (concepts of transformation optics) like “gradient index lenses” or “magical carpets” are envisaged to enlarge the field of applications.