Modeling of resonant optical nanostructures with semi-analytical methods based on the object eigenmodes

par Anton Ovcharenko

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Christophe Sauvan.

Soutenue le 20-12-2019

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Charles Fabry / Nanophotonique (laboratoire) .

Le président du jury était Riad Haïdar.

Le jury était composé de Christophe Sauvan, Xavier Letartre, Antoine Moreau, Anne-Laure Fehrembach, Olivier Gauthier-Lafaye.

Les rapporteurs étaient Xavier Letartre, Antoine Moreau.

  • Titre traduit

    Modélisation de nanostructures optiques résonantes avec des méthodes semi-analytiques utilisant les modes propres de l'objet


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée au développement de modèles semi-analytiques précis pour le calcul numérique de dispositifs nanophotoniques résonants. Il s'agit en particulier de membranes à cristaux photoniques, qui supportent des résonances avec des très grands facteurs de qualité, et d’ensembles composés de plusieurs nano-antennes plasmoniques, qui présentent des résonances avec des faibles facteurs de qualité. La thèse est divisée en deux parties.La première partie présente un modèle semi-analytique pour le calcul des modes supportés par des membranes à cristaux photoniques. Les modes à fuite (leaky modes) supportés par ces membranes structurées sont modélisés comme une résonance Fabry-Perot transverse composée de quelques ondes de Bloch propagatives qui vont et viennent verticalement à l'intérieur de la structure. Ce modèle est appliqué à l'étude des états liés dans le continuum (bound states in the continuum, ou BIC). Nous montrons que le modèle Fabry-Perot multimode est parfaitement adapté pour prédire l'existence des BICs ainsi que leur position dans l'espace des paramètres. Grâce à la semi-analyticité du modèle, nous étudions la dynamique des BICs avec l'épaisseur de la membrane pour des structures symétriques et asymétriques. Dans ce dernier cas, nous étudions des objets présentant soit une symétrie horizontale brisée, soit une symétrie verticale brisée (ajout d'un substrat). Le modèle Fabry-Perot nous permet d’obtenir des informations importantes sur la nature et le comportement des BICs. Nous démontrons que lorsque la symétrie miroir horizontale est brisée, les BICs dus à la symétrie du système, qui existent dans les structures symétriques au point Gamma du diagramme de dispersion, restent des BICs malgré l’absence de symétrie mais changent de nature. Ils deviennent des BICs dus à des interférences destructives entre les ondes de Bloch. La deuxième partie est consacrée au développement d'une théorie modale originale pour modéliser la diffusion de la lumière par des structures complexes composées d'un ensemble de plusieurs nano-antennes. L'objectif est de pouvoir modéliser la diffusion de la lumière par des métasurfaces à partir de la seule connaissance des modes de leurs constituants individuels. Pour ce faire, nous combinons un formalisme modal basé sur l’utilisation des modes quasi-normaux (QNM) avec la théorie multipolaire de la diffusion multiple basée sur le calcul de la matrice de transition (matrice T) d'un diffuseur unique. La matrice T fournit la relation entre le champ incident et le champ diffusé dans la base des harmoniques sphériques vectorielles. Elle contient toutes les propriétés de diffusion intrinsèques à l'objet. Le calcul de cette matrice représente une charge numérique lourde car elle nécessite de nombreux calculs rigoureux du champ diffusé. L'utilisation d'une décomposition modale avec des QNMs nous permet d’une part de rendre une partie du calcul analytique et d’autre part d'apporter une meilleure compréhension physique. Nous dérivons une décomposition modale de la matrice T et testons sa précision sur le cas de référence d'une nanosphère métallique.Enfin, la décomposition modale de la matrice T est appliquée à des cas pratiques d'intérêt en nanophotonique. A partir de la seule connaissance de quelques modes d'un nanocylindre plasmonique unique, nous calculons analytiquement la diffusion multiple de la lumière par un dimère et par une antenne Yagi-Uda composés de ces nanocylindres. Nous appliquons également l’approche modale à un réseau périodique bidimensionnel de nanocylindres . La comparaison avec les résultats d'une méthode numérique rigoureuse démontre un bon accord avec le calcul modal. Par rapport à des calculs entièrement rigoureux, la décomposition modale de la matrice T permet une réduction significative du temps de calcul. Comme les calculs sont analytiques une fois que les modes ont été calculés, l'approche modale est extrêmement utile pour les problèmes d'optimisation.


  • Résumé

    The presented thesis is dedicated to the development of semi-analytical accurate models for the numerical calculation of resonant nanophotonic devices. In particular, it concerns photonic crystal slabs, which can support resonances with high quality factors, and ensembles composed of several plasmonic nanoantennas, which exhibit resonances with low quality factors. The structure of the thesis is two-fold. In the first part, a semi-analytical model for the calculation of the modes supported by photonic crystal slabs (their dispersion and quality factors) is presented. Leaky modes supported by photonic crystal slabs are modeled as a transverse Fabry-Perot resonance composed of a few propagative Bloch waves bouncing back and forth vertically inside the slab. This model is applied to the study of bound states in the continuum (BICs). We show that the multimode Fabry-Perot model is perfectly suitable to predict the existence of BICs as well as their precise positions in the parameter space. We show that, regardless of the slab thickness, BICs cannot exist below a cut-off frequency, which is related to the existence of the second-order Bloch wave in the photonic crystal. Thanks to the semi-analyticity of the model, we investigate the dynamics of BICs with the slab thickness in symmetric and asymmetric photonic crystal slab. In the latter case, we investigate structures with either a broken horizontal symmetry or a broken vertical symmetry (addition of a substrate). As a result, we obtain some important insights into the nature and behavior of BICs. We evidence that, as the horizontal mirror symmetry is broken, the symmetry-protected BICs that exist in symmetric structures at the Gamma-point of the dispersion diagram are still BICs despite the absence of symmetry but change their nature. They become resonance-trapped BICs, but only for specific values of the slab thickness.The second part of the thesis is dedicated to the development of an original modal theory to model light scattering by complex structures composed of a small ensemble of plasmonic nanoantennas. The objective is to be able to model light scattering by metasurfaces from the sole knowledge of the eigenmodes of their individual constituents. For that purpose, we combine a quasi-normal mode (QNM) formalism with the multipole multiple-scattering theory based on the calculation of the so-called transition matrix (T-matrix) of a single scatterer. The T-matrix provides the relation between the incident and scattered fields in the vectorial spherical harmonics basis. It captures all the intrinsic scattering properties of the object that are due to its shape and refractive index distribution. Computation of the T-matrix is a heavy numerical burden since it requires numerous rigorous calculations of the scattered field— one for each harmonic in the basis. Using a modal expansion of the scattered field with QNMs allows us to bring both analyticity and physical understanding into the calculation. We derive a modal expansion of the T-matrix and test its accuracy on the reference case of a metallic nanosphere.Finally, we apply the modal expansion of the T-matrix to practical cases of interest in nanophotonics. From the sole knowledge of a few modes of a single plasmonic nanorod, we calculate analytically multiple light scattering by a dimer and a Yagi-Uda antenna composed of these nanorods. We apply also the modal approach to a periodic two-dimensional array of nanorods. Comparison with the results of a rigorous Maxwell’s equations solver demonstrates a good agreement with the QNM-based calculation. Compared to fully rigorous calculations, the QNM expansion of the T-matrix allows for a significant reduction of the computation time. Since the calculations are analytical once the modes have been calculated, the QNM approach is extremely useful for optimization problems.


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