Modélisation électromagnétique de dispositifs nanophotoniques à base de graphène : approche modale et problème de diffraction par la méthode des éléments finis

Electromagnetic modelling of graphene-based nanophotonic devices : modal and scattering approaches using the finite element method

• Auteur / Autrice : Aswani Natarajan
• Direction : Gilles Renversez, Guillaume Demésy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d'image
• Date : Soutenance le 24/11/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France)
• Jury : Président / Présidente : Gil Fanjoux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Rousseau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joël Charrier, Ruth V. Sabariego
• DOI : 10.70675/38abd618ze537z43f0z8d19z4f7386ac19f6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromagnétisme

Plasmons

Capteurs optiques

Graphène

Modélisation CFD

Mots clés libres

Électromagnétisme

Modélisation numérique

Graphene

Méthode des éléments finis

Plasmonique

Electromagnetism

Numerical modelling

Graphene

Finite element method

Plasmonics

Résumé

La plasmonique basée sur les matériaux 2D est un domaine en plein essor dans la photonique, avec des implications technologiques potentielles révolutionnaires dans des domaines aussi variés que le diagnostic, l'énergie et la communication. Le graphène, un matériau 2D unique et doté d'excellentes propriétés plasmoniques, est une alternative prometteuse aux métaux nobles conventionnels dans le domaine de la plasmonique, notamment en raison de ses propriétés accordables en fréquence. Le graphène est modélisé dans cette thèse comme une feuille conductrice infiniment mince dans le cadre des éléments finis (vectoriels) de Galerkin, par opposition aux modèles plus conventionnels où la feuille de graphène est considérée comme ayant une épaisseur finie. Une seconde étude 2D rigoureuse du comportement du champ électromagnétique le long de la direction de propagation dans un guide d'ondes ouvert est réalisée en modélisant le graphène comme un diffuseur (1D) qui agit comme une perturbation locale au guide. Enfin, l'important décalage d’indice effectif qui existe entre le mode du guide d'ondes dielectrique et le mode plasmonique du graphène altère le couplage. Pour surmonter ce problème, un coupleur est conçu à l'aide du formalisme direct en champ diffracté développé. Des études approfondies du phénomène de battement observé dans le coupleur sont également réalisées. Plusieurs études impliquant les différents ordres de diffraction du réseau coupleur, l'épaisseur du guide d'ondes, etc. sont menées. Les paramètres du coupleur sont ensuite optimisés pour obtenir un coupleur à réseau compact et intégré à base de graphène dont l'efficacité atteint 80% à dans l’infrarouge

Plasmonics based on 2D materials is a burgeoning field in photonics with potential groundbreaking technological implications for diagnostics, energy and data communication. Graphene, a unique 2D material with excellent plasmonic properties is a promising alternative to conventional noble metals in plasmonics notably due to its tunable properties. Graphene is modelled in this thesis as an infinitesimally thin current-carrying sheet in a fully vectorial finite element Galerkin framework as opposed to more conventional models where graphene is considered to be of finite thickness. A rigorous study of the behaviour of the electromagnetic field along the propagation direction in an openridge waveguide is carried out by modelling graphene as a 1D conductive scatterer which acts as a local perturbation. The scattering model is verified through a full energy balance in different geometries. The large momentum mismatch that exists between the waveguide mode and the graphene plasmon mode in a graphene-based waveguide severely alters the coupling between these two modes. To overcome this, a coupler is designed using the developed scattering field formalism. Elaborate studies of the beating phenomenon observed in the coupler are performed. The designed waveguide coupler is apt for graphene of lengths equal to or shorter than the order of the wavelength. Several studies involving the various diffraction orders of the grating coupler, waveguide thickness, etc. are conducted. The parameters of the coupler are then optimized to yield a compact and integrated graphene-based grating coupler of efficiency as high as 80% in the infrared region