Étude expérimentale et simulation des modes électromagnétiques se propageant sur des guides d’ondes métalliques de petites dimensions aux fréquences THz

par Djamal Eddine Gacemi

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Juliette Mangeney et de Paul Crozat.

Soutenue le 21-12-2012

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015) , en partenariat avec Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Louis Coutaz.

Le jury était composé de Juliette Mangeney, Paul Crozat, Jean-Louis Coutaz, Jean-Jacques Greffet, Jérôme Tignon, Tahsin Akalin.

Les rapporteurs étaient Jean-Jacques Greffet, Jérôme Tignon.

mots clés

• Térahertz
• Confinement électromagnétique
• Onde de surface
• Ligne de Goubau
• Onde de Zenneck
• Onde Sommerfeld
• Spoof plasmon
• Structure sous-longueur d’onde
• Ondes de surface -- Thèses et écrits académiques
• Résonance plasmonique de surface -- Thèses et écrits académiques
• Radiofréquences -- Thèses et écrits académiques
• Ondes évanescentes -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Focaliser l’énergie optique en un petit spot de diamètre beaucoup plus petit que la limite de diffraction a longtemps été un sujet très intéressant en photonique. Dans le domaine Térahertz (avec une longueur d’onde de l’ordre de 300 µm) ce défi est particulièrement important pour répondre à l’intérêt croissant de l’imagerie haute résolution et de la spectroscopie des matériaux d’une taille inférieure à l’échelle submillimétrique de la longueur d’onde en espace libre. Dans ma thèse, j’ai étudié le confinement des ondes de surface aux fréquences THz sur des structures métalliques de dimensions sous longueur d’onde. J’ai expérimentalement mesuré le confinement du champ électrique et calculé la relation de dispersion du mode de surface sur une structure métallique déposée sur un substrat diélectrique de faible permittivité. Ces mesures sont obtenues à l’aide d’un banc de mesures THz guidé, développé pendant ma thèse. La mesure est faite en champ proche par une sonde électro-optique micrométrique, librement positionnable. Ces résultats expérimentaux sont complétés par des simulations numériques, obtenues par le logiciel de simulation par éléments finis, Comsol Multiphysics. Les résultats expérimentaux montrent un confinement de λ/20 du mode EM de surface sur une ligne métallique rectangulaire de petites dimensions.

mots clés

• Terahertz
• Electromagnetic confinement
• Surface wave
• Goubau line
• Zenneck wave
• Sommerfeld wave
• Spoof plasmon
• Sub-wavelength structure

Titre traduit

Experimental and simulation sudy of electromagnetic modes propagating along a sub-wavelenght dimensions rectangular metal waveguide at THz frequencies

Résumé

Focusing optical energy into a small spot diameter much smaller than the diffraction limit has long been a very interesting topic in photonics. In Terahertz (with a wavelength of about 300 microns) this challenge is particularly important to meet the growing interest in high-resolution imaging and spectroscopy of materials whose size is smaller than the wavelength in free space. In my thesis, I studied the confinement of surface waves at THz frequencies on metal structures with sub-wavelength dimensions . I experimentally measured the confinement of the electric field and calculated the dispersion relation of the surface mode on a metal structure deposited on a low permittivity dielectric substrate. These measurements are obtained using a guided-wave time domain spectroscopy set-up, developed during my PhD. The measurement is made by a near-field freely positionable electro-optical probe. These experimental results are supplemented by numerical simulations obtained by finite element analysis software Comsol Multiphysics. The experimental results show a confinement of λ/20 of the EM surface mode on a sub-wavelength dimension rectangular metal wire.