All-dielectric nonlinear nanophotonics

par Valerio flavio Gili

Thèse de doctorat en Sciences des materiaux

Sous la direction de Giuseppe Leo et de Andrei Kanaev.

Le président du jury était Raffaele Colombelli.

Le jury était composé de Andrei Kanaev, Azzedine Boudrioua, Aloyse Degiron, Alexandre Delga.

Les rapporteurs étaient Alberto Bramati, Thomas Pertsch.

  • Titre traduit

    Nanophotonique nonlinéaire tout diélectrique


  • Résumé

    La méta-optique non linéaire tout diélectrique suscite un vif intérêt, grâce à la faisabilité de nanostructures à contraste élevé et indice de réfraction disponible avec la lithographie à semi-conducteurs. Alors que des effets nonlinéaires au troisième ordre ont été rapportés dans les nanoantennes silicium sur isolant, la plate-forme AlGaAs-sur-isolant a récemment permis la démonstration de la génération de la seconde harmonique, dû à la noncentrosymétrie de ce matériel. Cette thèse illustre notre activité récente sur les nanoantennes non linéaires AlGaAs-sur-AlOx, où AlOx est obtenu par attaque chimique sélective par voie humide d'une couche épitaxiale d'AlGaAs riche en aluminium d'une épaisseur de quelques micromètres. Un tel substrat à faible indice de réfraction permet de découpler efficacement les modes nanoantenna de la tranche de GaAs (100) sous-jacent. La thèse présente d'abord les méthodes numériques, expérimentales et technologiques utilisées. Une analyse des résultats obtenus dans la génération de signaux non linéaires dans des nanoantennes simples et dans des structures complexes est ensuite présentée. Tous nos résultats expérimentaux ouvrent la voie à la génération et à la manipulation de signaux non linéaires à l'échelle nanométrique et pointent vers des applications telles que l'holographie non linéaire, la goniométrie sans fond et la vision nocturne.


  • Résumé

    All-dielectric nonlinear meta-optics is attracting a great deal of interest thanks to the feasibility of high refractive-index contrast nanostructures available with semiconductor lithography. While third order nonlinear effects have been reported in silicon-on-insulator nanoantennas, the AlGaAs-on-insulator platform has recently enabled the demonstration of second harmonic generation, owing to the non-centrosymmetry of this material. This PhD thesis illustrates our recent activity on AlGaAs-on-AlOx nonlinear nanoantennas, where AlOx is obtained from selective wet etching of micrometer-thick aluminium-rich AlGaAs epitaxial layer. Such a low refractive index substrate allows to effectively decouple the nanoantenna modes from the underlying GaAs (100) wafer. The thesis first introduces the numerical, experimental and technological methods employed. Afterwards, a review of the results obtained in nonlinear signal generation in single nanoantennas and in complex structures is given. All our experimental results pave the way towards nonlinear signal generation and manipulation at the nanoscale, and point towards applications such as nonlinear holography, background-free goniometry and night vision.


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