Metamaterials for photonic applications

par Natalia Dubrovina

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Anatole Lupu.

Soutenue le 14-05-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Ondes et Matière (1998-2015 ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était André de Lustrac.

Le jury était composé de Anatole Lupu, André de Lustrac, Andrei Lavrinenko, Yannick De Wilde, Alexandre Bouhelier, Anatoly Zayats.

Les rapporteurs étaient Andrei Lavrinenko, Yannick De Wilde.

  • Titre traduit

    Métamatériaux pour la photonique


  • Résumé

    L’objet de cette étude concerne l’exploration, à la fois sur le plan théorique et expérimental, de la possibilité d’utilisation des métamatériaux pour des applications dans le domaine de la photonique aux longueurs d’onde télécoms (λ=1.5µm). L’un des principaux objectifs adressés dans le cadre de la thèse est de réaliser l’ingénierie de l’indice effectif en utilisant des résonances des plasmons de surface localisés des métamatériaux métallo-diélectriques. Deux cas particulièrement importants du point de vue de la réalisation technologique sont considérés :• Propagation en espace libre quand une onde lumineuse sous incidence normale ou oblique interagit avec une surface diélectrique recouverte d’une monocouche de métamatériaux.• Propagation dans une configuration guide d’onde avec une monocouche de métamatériaux à la surface d’un guide d’onde en Silicium.Les résultats des modélisations et des mesures expérimentales montrent que les propriétés optiques d’une mono-couche de métamatériau peuvent être décrites par celle d’une couche homogène avec un certain indice effectif. L’épaisseur de cette couche est égale à celle des motifs métalliques, à condition qu’elle soit inférieure à quelques dizaines de nm. Pour des faibles facteurs de remplissage en surface, l’indice de réfraction d’une telle couche suit l’approximation de Maxwell-Garnett. Cet indice effectif ne dépend pas de l’angle d’incidence ni de l’orientation de la polarisation de la lumière (perpendiculaire ou dans le plan d’incidence). Au voisinage de la fréquence de résonance pour un facteur de remplissage de métamatériau de 20% en surface on obtient un indice de réfraction très élevé : neff=10. Cet indice de réfraction est plusieurs fois supérieur à celui qu’on trouve dans des matériaux naturels. L’adaptation de cette approche à configuration guidée à utiliser une structure hybride composée d’une couche de métamatériau à la surface d’un guide d’onde en Silicium. Les travaux réalisés ont permis de démontrer la possibilité d’effectuer l’ingénierie de l’indice effectif et de contrôler le niveau des pertes d’un tel guide d’onde hybride en utilisant des métamatériau métallo-diélectriques à base des fils d’Au de 200X50X50nm. Le contraste d’indice au voisinage de la ligne de la résonance donné par des modélisations et confirmé expérimentalement est de ±1.5, soit plus que ce que l’on peut obtenir avec un guide Silicium gravé. Ce résultat représente une première démonstration sur le plan international de fonctionnement des métamatériaux en configuration guidée.De plus, en contrôlant l’orientation des motifs de métamatériaux, on peut réaliser un indice anisotrope. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives très prometteuses pour la réalisation de dispositifs en optique guidée utilisant les transformations d’espace.


  • Résumé

    The subject of the PhD thesis deals with metamaterials for photonic applications. The main objective is to investigate the potential of metallic metamaterials for building optical functions at NIR optical frequencies. A significant part of the work is focused on the engineering of the metamaterials effective index associated with localized plasmon resonances. Two configurations of particular importance for fabrication technology are considered:• Free space light propagation, with the incident electromagnetic wave interacting with single metafilms at either normal or oblique incidence. • Guided wave configuration, with single metamaterial layer placed on top of dielectric waveguide.For the free space configuration, the validity of the effective medium approach was investigated both numerically and experimentally with the example of metamaterials composed of either gold cut wires or split ring resonators and continuous wires on silicon substrate. On the basis of these examples it was shown that the metafilm behavior is indeed analogous to that of a homogeneous layer. The thickness of this layer is that of the deposited metal. The validity of this conclusion was verified with respect to a number of criteria consistent with the Maxwell-Garnett approximation. It was shown in particular that near the resonance frequency the effective index of the metafilm layer can reach very high values neff=10 that cannot be attained with natural materials.The effective medium approach developed for a single metamaterial layer in free space configuration was further extended to a guided wave configuration. The objective is to achieve an efficient control over the flow of light in the waveguide using effective index variations induced by metamatarial resonances. The possibility of achieving a significant effective index variation with a silicon slab waveguide covered by 200X50X50nm cut wires was investigated by numerical modeling and confirmed by experimental results. The magnitude of local index variation in the vicinity of the resonance frequency deduced from experimental data is as high as ±1.5. The possibility for controlling the local effective index at the nanoscale can be used in transformation optics applications. The hybrid metamaterial guided wave configuration may become a promising alternative to the bulk multi-layers metamaterial structures in the near infrared domain.


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