Métamatériaux pour l’infrarouge et applications

Metamaterials for the infrared and applications

• Auteur / Autrice : Rasta Ghasemi
• Direction : André de Lustrac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/11/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016) - Institut d'électronique fondamentale
• Jury : Président / Présidente : Valérie Vigneras
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André de Lustrac, Valérie Vigneras, Renaud Bachelot, Éric Lheurette, Abderrahim Ramdane
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Renaud Bachelot, Éric Lheurette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique intégrée

Métamatériaux

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Métamatériaux optiques 3D

Résonance de plasmon

Métamatériaux multicouches

Adaptateur de mode

Optique d’intégrée

Hybridation

Couplage plasmonique

3D optical metamaterials

Plasmon resonance

Multi layer structures

Taper of metamaterials

Integrated optics

Hybridation

Plasmonic coupling

Résumé

Les métamatériaux sont des composites artificiels présentant des propriétés électromagnétiques qu’on ne trouve pas dans la nature. Malgré des développements spectaculaires durant la dernière décennie, le potentiel de ces structures aux longueurs d’ondes optique n’est pas encore clairement défini en raison de problèmes technologiques et de contraintes physiques telles que les pertes dans les métaux entrant dans la composition des métamatériaux. Dans notre thèse, nous montrons que les métamatériaux ont des propriétés très favorables dans le contexte de l’optique intégrée dans le proche infrarouge. Nous avons développé une stratégie pour incorporer des métamatériaux dans des circuits photoniques qui n’absorbent que très peu d’énergie. Pour cela, nous ne faisons pas directement agir l’ensemble du mode guidé avec les métamatériaux, mais seulement une composante évanescente à l’extérieur du guide. Pour réaliser un tel adaptateur ou d’autres fonctionnalités, il importe de déterminer quelle géométrie de métamatériaux est la plus favorable aux applications infrarouges. Nous proposons d’utiliser des structures à base de fils d’or empilés couche sur couche. A l’aide de simulations numériques et d’expériences en espace libre, nous montrons qu’il est possible d’obtenir toute une gamme de réponses optiques en contrôlant le couplage entre les différents niveaux de fils, c'est-à-dire en ajustant la distance entre les fils ainsi que leur alignement. En particulier, nous avons réussi à contrôler séparément la réponse électrique et magnétique de nos structures, ce qui offre une flexibilité de conception qui ne se rencontre pas dans les métamatériaux proposés jusqu’à présent.

Metamaterials are artificial composites with electromagnetic properties not found in nature. Although the development of metamaterials has experienced a tremendous growth over the past few years, their potential at optical wavelengths is not clearly established due to technological and physical constraints such as high material losses in this spectral range. Here we show that metamaterials have a great potential in the context of integrated optics in the near infrared. We developed a strategy to incorporate metamaterials in photonic circuits with minimal absorption losses. Our approach relies on making the guided modes interact with the metamaterials only through the evanescent tail outside the waveguide. To achieve such an adaptor and other functionalities, it is important to know what is the best geometry for near-infrared applications. We propose to use metamaterials based on multi-layers of Au cut wires. With numerical simulations and experiments, we show that it is possible to create a wide range of optical properties by controlling the interaction between the wires, i.e. by adjusting the distance between the wires and their alignment. In particular we were able to demonstrate