Accordabilité des composants photoniques à base de structures hybrides graphène/diélectrique adressables par la surface

L’émergence d’une grande variété de structures photoniques, au cours des dernières décennies, a permis le développement de composants intégrés sur puce réalisant des fonctions optiques en espace libre de plus en plus complexes. Parmi elles, les structures diélectriques membranaires ont permis d’implémenter une large panoplie de composants optiques planaires, allant du filtrage spectral résonant à la mise en forme de faisceau avec de faibles pertes. Toutefois, si ces structures permettent d’obtenir un contrôle quasi-total du champ électromagnétique rayonné, ce contrôle est généralement statique et déterminé par la fabrication. Un nombre croissant d’applications – telles que les télécommunications en espace libre, les capteurs pour systèmes autonomes ou encore l’imagerie – nécessitent pourtant des composants photoniques agiles, motivant ainsi la recherche de moyens de contrôle actifs de la réponse optique à implémenter au sein des structures diélectriques. À cette fin, différentes propriétés du graphène s’avèrent prometteuses. En particulier, la possibilité de moduler dynamiquement son absorption ouvre de nombreuses perspectives pour le contrôle électrique et optique des structures photoniques intégrant du graphène. Des modulateurs électro-optiques et tout-optique ont ainsi pu être réalisés, s’appuyant sur le développement récent de procédés de transfert des matériaux 2D qui permettent aujourd’hui d’obtenir des structures hybrides graphène/diélectrique de grande qualité. Dans ce contexte, les travaux présentés dans cette thèse cherchent à exploiter l’absorption modulable du graphène pour obtenir une accordabilité dynamique de la réponse optique des composants adressables par la surface, dans le cas particulier de structures photoniques diélectriques travaillant dans le proche infrarouge. Un modèle générique de composant hybride diélectrique/ graphène est tout d’abord développé en théorie des modes couplés afin d’identifier les paramètres d’intérêt pour maximiser le contrôle permis par l’absorption du graphène. Dans le cas à une résonance, le comportement du système est principalement déterminé par la condition de couplage critique classiquement définie pour l’étude de l’absorption du graphène. Dans le cas à deux résonances en revanche, un nouveau paramètre de contrôle – associé à la différence d’absorption induite sur les résonances – permet d’obtenir un levier d’accordabilité supplémentaire. Différentes stratégies de maximisation de ce paramètre sont proposées et les procédés technologiques nécessaires à leur implémentation sont étudiés expérimentalement afin d’évaluer – par le biais de la spectroscopie Raman et de la spectroscopie de photoélectrons – leur effet sur la qualité structurelle et chimique du graphène, intégré dans de telles structures. La modulation spatiale de l’absorption du graphène – proposée pour différencier l’absorption induite sur différents modes optiques – est ensuite étudiée expérimentalement à l’aide de structures exploitant le transfert de charges entre le graphène et un oxyde à grand travail de sortie, à savoir l’oxyde de tungstène. Les dispositifs réalisés permettent d’obtenir une modulation du potentiel chimique du graphène de 0.1eV – caractérisée par nano-XPS (ligne ANTARES du synchrotron SOLEIL) et spectroscopie Raman – pouvant aboutir à une modulation de l’absorption supérieure à 70% pour certaines longueurs d’onde. Finalement, une architecture de composant hybride actif permettant d’obtenir un contrôle dynamique de l’émission laser est proposée. Cette architecture repose sur l’utilisation d’une membrane à brisure de symétrie verticale et permet, en principe, d’obtenir une commutation entre deux angles d’émission par la modulation de l’absorption du graphène. L’intérêt de ces structures pour parvenir à une accordabilité continue de l’angle d’émission est également exposé.