Modélisation numérique de l’interaction onde-matière dans des matériaux nanostructurés à base de terres rares ou de nanoparticules métalliques pour la photonique ou la plasmonique

Modeling of wave-matter interaction in rare earth and metallic nanoparticles based nanostructured materials for photonics or plasmonics

• Auteur / Autrice : Alexandre Fafin
• Direction : Christian Dufour, Julien Cardin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : physique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Gourbilleau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Dufour, Julien Cardin, Fabrice Gourbilleau, Dominique Leduc, Alexandre Vial, Fabrice Gourbilleau, Giancarlo Rizza
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Leduc, Alexandre Vial

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terres rares

Silicium

Guides d'ondes optiques

Nanoparticules

Plasmons

Simulation par ordinateur

Différences finies

Ondes électromagnétiques

Résumé

Ce travail de thèse est basé sur la modélisation de l'interaction onde-matière dans des matériaux nanostructurés par la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) associée à des équations différentielles auxiliaires (ADE). Le code de calcul développé a été appliqué à deux domaines: la photonique avec l'étude de guides d'onde co-dopés avec des nanograins de silicium et des ions de terres rares et la plasmonique avec l'étude de nanoparticules d'or. Des guides d'ondes co-dopés avec des nanograins de silicium et des ions de terres rares, pouvant être soit des ions erbium ou des ions néodyme, ont été étudiés numériquement. Pour cela un nouvel algorithme basé sur la méthode ADE-FDTD a été développé. Cela a permis de caractériser, en fonction de la terre rare, la propagation de la pompe et du signal dans le guide ainsi que le gain brute pouvant être atteint. Il a été montré notamment que le gain potentiel atteignable d'un guide d'onde dopé avec des ions néodymes est supérieur d'un ordre de grandeur par rapport à celui d'un guide d'onde dopé avec des ions erbiums. Des nanoparticules d'or individuelles ont été étudiées numériquement et les résultats ont été comparés à des mesures faites par spectroscopie de pertes d'énergies (EELS). Les énergies de résonance trouvée par les deux approches pour différentes formes de particules se sont révélées être en très bon accord. De plus, la relation de dispersion d'un nanofil trouvée par mesure EELS et ADE-FDTD a pu être vérifiée par un modèle analytique. Enfin des réseaux de nanoparticules d'or ont été modélisé dans le but d'obtenir une résonance de type Fano.

This thesis is based on the modeling of wave-matter interaction in nanostructured materials by the finite-difference time-domain (FDTD) associated with auxiliary differential equations (ADE). The developed numerical method was applied to two areas: (i) the study of waveguides co-doped with silicon nanograins and rare earth ions (photonics) and (ii) the study of optical properties of gold nanoparticles (plamonics). Waveguides co-doped with silicon nanograins and rare earth ions, which can be either erbium or neodymium ions were investigated numerically by means of a new algorithm based on the ADE-FDTD method. This allows us to characterize, for two rare earth, the propagation of the pump and the signal inside the waveguide as well as the achievable gross gain can be achieved. It has been shown that the reachable potential gross gain of a waveguide doped with neodymium ions is greater by one order of magnitude to the one of a waveguide doped with erbium ions. Individual structured gold nanoparticles have been studied numerically and the results were compared with measurements made by energy loss spectroscopy (EELS) mapping. The resonance energies found by the two approaches for different types of particles were found to be in very good agreement. Moreover, the dispersion relation of modes of nanowire found by EELS and ADE-FDTD has been confirmed by an analytical model. Finally array of gold nanoparticles have been modeled in order to obtain a Fano resonance.