Modeling of high electromagnetic field confinement metamaterials for both linear and non-linear applications

modelisation du confinement du champ electromagnétique à travers des matériaux pour des applications en optique linéaire et non linéaire Notre recherche porte sur la réponse optique des nanostructures et nous sommes certainement intéressés à la modélisation de ces structures afin d'améliorer le confinement de la lumière. Ce confinement est un des paramètres qui conduisent à l'exaltation des effets optique linéaires et non linéaires, simultanément. Notre travail est divisé en deux sections, qui présentent deux effets optiques diffèrents basées sur le confinement des champs à l’intérieur du structure. Dans la première section, la réponse optique d’une nano-antenne à ouverture en forme de nœud papillon (BNA : Bowtie nano-aperture) sera étudiée en fonction de l’indice de réfraction du milieu. L’étude discute la variation de la longueur d’onde de résonance ainsi que l’intensité du champ confiné au milieu du gap de la BNA en fonction de la distance qui sépare l’antenne d’un substrat placé en face. L’étude prend le cas d’une BNA gravée au bout d’une fibre optique métallisée. Une étude numérique complète a été réalisée par des simulations numériques basées sur la méthode des différences finies FDTD-3D (Finite Difference Time Domaine – Three dimension). Le code utilisé est développé au sein du département d’Optique de l’Institut FEMTO-ST. Notre modèle numérique décrits bien la géométrie de l’antenne ainsi que la pointe. De même les propriétés optiques de la couche métallique de la sonde sont bien décrites à travers un modèle de dispersion (model de Drude). Une étude expérimentale a été réalisée en plus pour une validation des résultats collecte théoriquement, l’étude a considéré le cas de deux BNA avec des paramètres géométrique différents, néanmoins les résultats obtenues se correspond fortement aux résultats obtenues numériquement. Dans la deuxième partie, l'effet électro-optique des nanostructures sera étudié. L’effet électro-optique ou effet Pockels consiste d’une variation linéaire de l'indice de réfraction d'un milieu non-linéaire en fonction d'un champ électrique extérieur. Cependant, la variation est reliée au tenseur de susceptibilité non linéaire du deuxième ordre, ainsi, cette effet ce produit seulement dans les matériaux non-centrosymétrique. Dans notre étude les nanostructures sont fabrique avec le Niobate de Lithium (LN) qui est considéré comme le plus avantageux diélectrique pour l’exaltation des effets non linéaire grâce à ces propriétés (acousto-optique, électro-optique, piézoélectrique …). L’étude est complétée numériquement garce a des simulations basées sur la FDTD en tenant compte de la polarisation du champ. Au début, une validation de l’utilisation de la FDTD pour estimer l’effet électro-optique intrinsèque du LN a été achevée, l’étude considère un milieu homogène (pas de confinement des champs dans le milieu) qui a pour indice de réfraction celle du LN. Pour des structure qui présentes un confinement du champ plusieurs approximation ont été suggère dans cette partie. En outre, nous présentons un nouveau modèle auto-cohérent dans lequel la variation de l'indice de réfraction est modifiée au cours de la simulation. Plusieurs structure ont été discutés (réflecteur de Bragg, structure à cavité et 2D cristal photonique) qui présentent des facteurs de confinement différents. Une étude comparative entre les différentes méthodes, montre que la différence entre les résultats de chaque hypothèse devient plus important proportionnellement au facteur de confinement.