Méthodes Galerkin discontinues pour la simulation et la calibration de modèles de dispersion non-locaux en nanophotonique

High-order simulations and calibration strategies for spatial dispersion models in nanophotonics

• Auteur / Autrice : Nikolai Schmitt
• Direction : Stéphane Lanteri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 27/09/2018
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Herbert De Gersem
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Herbert De Gersem, Christophe Geuzaine, Asger Mortensen, Claire Scheid, Kurt Busch, Olivier Martin, Antoine Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Geuzaine, Asger Mortensen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanophotonique

Galerkine, Méthodes de

Maxwell, Équations de

Mots clés libres

Équations de Maxwell

Méthode de Galerkine discontinue

Nanophotonique

Maxwell’s equations

Discontinuous Galerkin

Nanophotonics

Résumé

L'objectif principal de cette thèse est l'étude des problèmes et des applications qu'ils se développent dans le domaine de la nanophotonique. Plus précisément, nous considérons les structures de métaux nobles où les modèles de dispersion locaux sont insuffisants et la non-localité doit être incluse dans le modèle. Ici, le système physique sous-jacent est typiquement modélisé comme des équations de Maxwell couplées à des lois de dispersion spatio-temporelles dans le régime des longueurs d'onde optiques. Bien que les solutions analytiques puissent être dérivées pour un petit nombre de problèmes, cela n'est généralement pas possible pour les dispositifs du monde réel, qui présentent souvent des géométries complexes et des compositions de matériaux. Suite à une analyse rigoureuse des propriétés physiques et mathématiques du modèle continu original, nous proposons une méthode de type à éléments finis d'ordre élevé pour discrétiser le modèle continu dans l'espace et le temps. Les méthodes discontinues Galerkin (DG) sont bien établies pour la discrétisation spatiale des équations de Maxwell. Cette thèse prolonge les travaux antérieurs sur les systèmes couplés des équations de Maxwell et les lois de dispersion spatiale. Nous utilisons des méthodes explicites de Runge-Kutta (RK) d'ordre élevé pour la discrétisation temporelle. L'intégration temporelle RK garantit un ordre de convergence espace-temps élevé du schéma entièrement discret, qui repose sur un schéma de preuve de convergence. Parallélisme MPI (Message Passing Interface), éléments curvilignes et PML (Perfectly Matched Layers) autour des aspects d'implémentation et d'évaluation des performances dans le cadre du logiciel développé à Inria Sophia Antipolis-Méditerannée (DIOGENES). La méthode développée est appliquée à de nombreuses simulations nanophotoniques réelles de dispositifs où des observables tels que la réflexion, la section transversale (CS) et la spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) sont étudiés. Entre autres, nous élaborons une feuille de route pour un étalonnage expérimental robuste du modèle de dispersion non local linéarisé basé sur la solution de problèmes inverses et la quantification d'incertitude (UQ) des paramètres géométriques stochastiques. Nous avons également amélioré les accords de simulations numériques non locales et les résultats expérimentaux pour la résonance des plasmons d'espacement des nano-cubes d'argent. Cela démontre la pertinence de simulations non locales précises.

The main objective of this thesis is the study of problems and applications as they arise in the field of nanophotonics. More speci cally, we consider noble metal structures where local dispersion models are insu cient and nonlocality has to be included in the model. Here, the underlying physical system is typically modeled as Maxwell’s equations coupled to spatio- temporal dispersion laws in the regime of optical wavelengths. While analytical solutions can be derived for a small number of problems, this is typically not possible for real-world devices, which often feature complicated geometries and material compositions. Following a rigorous analysis of the physical and mathematical properties of the original continuous model, we propose a high order finite element type method for discretizing the continuous model in space and time. Discontinuous Galerkin (DG) methods are well established for the spatial discretization of Maxwell’s equations. This thesis extends previous work on the coupled systems of Maxwell’s equations and spatial dispersion laws. We use explicit high-order Runge-Kutta (RK) methods for the subsequent time discretiz- ation. RK time integration guarantees a high space-time convergence order of the fully-discrete scheme, which is underpinned by a sketch of a convergence proof. Message Passing Interface (MPI) parallelization, curvilinear elements and Perfectly Matched Layers (PMLs) round of implementation aspects and performance assessments in the scope of the Software developed at Inria Sophia Antipolis-Méditerannée (DIOGENeS). The developed method is applied to numerous real-world nanophotonics simulations of devices where observables like re ectance, Cross Section (CS) and Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) are studied. Inter alia, we elaborate a roadmap for a robust experimental calibration of the linearized nonlocal disper- sion model based on the solution of inverse problems and Uncertainty Quanti cation (UQ) of stochastic geometric parameters. We also find improved agreements of nonlocal numerical simulations and exper- imental results for the gap-plasmon resonance of silver nano-cubes. This demonstrates the relevance of accurate nonlocal simulations.