Etude de structures diélectriques et métalliques périodiques dans le domaine THz : Application à la spectroscopie de films minces

Study of dielectric and metallic periodic structures in the THz domain : Application to the spectroscopy of thin films

• Auteur / Autrice : Youness Laamiri
• Direction : Jean-Louis Coutaz, Frédéric Garet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquences
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Chambéry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Guides d'ondes

Plasmons

Mesures diélectriques

Couches minces

Spectroscopie infrarouge

Mots clés libres

Filtre pour les ondes Térahertz

Structures périodiques 1D et 2D

Résumé

Nous présentons une étude sur la spectroscopie dans l'infrarouge lointain (domaine térahertz) de matériaux sous forme de films minces d'épaisseur très inférieure à la longueur d'onde du rayonnement térahertz. Pour obtenir la sensibilité nécessaire à une caractérisation précise, nous mettons en œuvre des techniques de renforcement du champ électromagnétique au voisinage du film mince, grâce à l'excitation de résonances électromagnétiques de type ondes guidées, ou plasmons de surface propagatifs ou/et localisés. Dans la première partie du manuscrit, nous présentons un état de l'art de ces méthodes de caractérisation, ainsi que la technique expérimentale que nous avons employée, à savoir la spectroscopie térahertz dans le domaine temporel, et nous décrivons les avantages de la méthode que nous proposons dans ce travail. Dans la seconde partie du manuscrit, nous étudions comme dispositif de renforcement électromagnétique un guide d'onde en silicium sur lequel est gravé un réseau de couplage. Nous avons pu déterminer avec précision les paramètres diélectriques d'un film de résine aussi fin que λ/180. Nous indiquons comment optimiser ce dispositif pour mesurer des films submicroniques. Dans la dernière partie de ce travail, nous étudions les propriétés électromagnétiques d'un dispositif constitué d'une plaque métallique percée de trous cylindriques formant un réseau carré. Nous montrons qu'un tel dispositif permet de caractériser un film mince posé sur une de ses faces, mais peut aussi servir de filtre spectral pour les ondes térahertz.

We present a study, in the far-infrared (THz frequency domain), of the spectroscope of materials whose thickness is smaller than the wavelength of the terahertz radiation. To obtain the sensitivity required for a precise characterization, we enhance the electromagnetic field in the vicinity of the thin film through the resonant excitation of guided waves or of surface plasmons (either propagating or localized). In the first chapter of the manuscript, we present a state-of-the-art of the thin-film characterization methods in the THz range, we describe the experimental technique we used, namely the THz time-domain spectroscopy, and then we explain the advantages of the method we propose in this work. In the second chapter, we study a device made of a silicon waveguide on which is engraved a grating coupler. We were able to accurately determine the dielectric parameters of a resin film as thin as λTHz/80 with a very good precision (2 % for the refractive index). We describe how to optimize this device for measuring submicron-thick films. In the last part of this work, we study the electromagnetic properties of a 2-dimensions squared hole array. We explain the electromagnetic origin of all the signatures seen in the transmission spectrum. We show that such a device can be used to characterize a thin film located against it, and it can also serve as a band pass spectral filter for terahertz signals.