Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Mie résonateurs“

Les structures sub-longueurs d'onde constituées de matériaux diélectriques ou semi-conducteurs tels que le silicium et possédant un haut indice de réfraction sont récemment apparues comme une bonne plate-forme pour exalter les interactions lumière-matière grâce à l'excitation de résonances de Mie. Dans le cadre de cette thèse, nous étudions l'interaction résonante entre la lumière et les diffuseurs sub-longueur d'onde d'un point de vue théorique et expérimental. La théorie multipolaire sert en particulier de cadre à l’étude des résonances de diffuseurs sub-longueur d’onde. Nous commencerons par déterminer les conditions permettant de maximiser la diffusion ou l'absorption de la lumière par des particules sub-longueur d’onde. Nous réaliserons ensuite une étude théorique basée sur les modes propres des résonateurs optiques. Nous montrerons en particulier qu’il est nécessaire de prendre en compte une contribution non-résonante pour le champ diffusé en plus des contributions résonantes associées à l’excitation des modes des résonateurs optiques. Finalement, en combinant théorie et expériences, nous étudierons la possibilité d’utiliser les résonances de Mie pour exalter les effets d’optique non-linéaire, en particulier le mélange à quatre ondes, dans des résonateurs en silicium
Subwavelength scatterers made of dielectric or semiconductor materials such as silicon and possessing a large refractive index have recently emerged as a good platform to enhance light-matter interactions through the excitation of Mie resonances. In the scope of this thesis, we studied the interaction between light and high refractive index scatterers from both a theoretical and experimental point of view. In particular, we theoretically studied resonances of high-refractive index scatterers in the framework of the multipolar basis. We started by determining the conditions that maximize the scattering or absorption of light by particles. We then performed a theoretical study based on the eigen-modes of the optically resonant particles. In particular, we demonstrated that besides a resonant term, the scattered field has a non-resonant contribution. We finally combined theory with experiments to show that the Mie resonances permit to enhance the nonlinear effects, and in particular four-wave mixing, in silicon nanodisks

L'objectif de cette thèse est d'explorer le potentiel des impuretés complexes de carbone dans le silicium (G-centers) pour des applications dans les technologies quantiques. Ce défaut ponctuel a été initialement mis en évidence dans des échantillons de Si riches en carbone soumis à une irradiation électronique à haute énergie suivie d'un recuit à haute température. Une caractéristique clé des centers-G est leur émission infrarouge, correspondant à l'importante longueur d'onde de la bande O des télécommunications optiques qui s'étend entre 1260-1360 nm. Nous avons démontré que nous sommes capables de créer des centres G individuels par implantation ionique dans du SOI, du 28Si isotopiquement purifié sur isolant, et des nanostructures photoniques telles que des résonateurs diélectriques de Mie vers des sources intégrées de photons uniques dans le silicium émettant dans la gamme de longueur d'onde des télécommunications. Par lithographie optique et de gravure au plasma, associée à un démouillage à l'état solide de silicium cristallin ultra-mince sur isolant, afin de former des résonateurs de Mie monocristallins. En intégrant des centres G émetteurs de lumière dans les antennes en Si, j'ai conçu l'émission de lumière en réglant la dose de carbone, l'énergie du faisceau et la taille des îlots afin d'optimiser le couplage entre les émetteurs et les résonances de Mie. L'émission de lumière directionnelle à 120 K a été démontrée expérimentalement et confirmée par des simulations FDT. Nous estimons qu'avec un couplage optimal de l'émission des centres G avec les antennes résonantes, une efficacité de collecte d'environ 90 % peut être atteinte en utilisant un objectif conventionnel
The aim of this thesis it to explore the potential of complex carbon impurities in silicon (G-centers) for applications in quantum technologies. This point defect was originally highlighted in carbon-rich Si samples undergoing high-energy electron irradiation followed by high temperature annealing. A key feature of G-centers is their infrared emission, matching the important optical telecommunications wavelength O-band spreading between 1260-1360 nm. Through my PhD work we have demonstrated that we are able to create individual G-centers by ion implantation in conventional silicon on insulator, isotopically purified 28Si on insulator, and embed these emitters in photonic nanostructures such as dielectric Mie resonators. We developed a low-resolution optical lithography and plasma etching method joined with solid state dewetting of monocrystalline, ultra-thin, silicon on insulator to form monocrystalline, atomically-smooth, Mie resonators in well-controlled and large, periodic arrays.By integrating light emitting G-centers within the Si-based antennas we engineered the light emission by tuning carbon dose, beam energy and islands size in order to optimize the coupling between the emitters and the Mie resonances in space and frequency. directional (Huygens-like) light emission at 120 K was demonstrated experimentally and confirmed by finite difference time domain simulations. We estimate that, with an optimal coupling of the G-centers emission with the resonant antennas, a collection efficiency of about 90% can be reached using a conventional objective lens

Les métamatériaux sont des structures composites périodiques sub-longueur d’onde pouvant posséder une perméabilité et/ou une permittivité négative. Si ces deux grandeurs sont négatives simultanément, nous sommes en présence d’un matériau à indice négatif, appelés parfois matériaux « main gauche », capable donc de réfraction négative. Par le contrôle de certaines propriétés de la matière les métamatériaux offrent ainsi des comportements inexistants dans la nature. Ceci ouvre ainsi la voie à de nouvelles applications. Dans cette thèse, l’utilisation de matériaux diélectriques se justifie par la réduction d'un inconvénient majeur, les pertes. On s’affranchie en effet de la limites des pertes ohmiques dans les matériaux métalliques. Une étude numérique approfondie des résonateurs diélectriques, composants de base des métamatériaux « tout-diélectrique », a été menée à l’aide d’un logiciel commercial d’éléments finis. Cette étude a permis de mettre en évidence à l’entrée de la gamme terahertz une perméabilité, une permittivité et un indice de réfraction négatifs, pour deux céramiques particulières : le SrTiO₃ et le TiO₂. Les études paramétriques effectuées sur ces deux céramiques ont permises de mettre en évidente le rôle primordial du couplage inter-modal dans l’obtention d’un indice négatif. Nous avons également montré le caractère non conventionnel du couplage inter-modal lorsque les deux modes sont de nature différente, l’un magnétique, l’autre électrique. Il existe en effet deux régimes de couplage distincts, l’un de simple rapprochement des modes de résonances, l’autre de dégénérescence des modes où ceux-ci restent à la même fréquence sur une large gamme, chose jusqu’alors peu visible dans la littérature. En plus de cet apport théorique, nos études paramétriques ont permis de proposer une alternative au paradigme à deux résonateurs, en montrant la faisabilité d’un métamatériau à indice négatif à l’aide d’une cellule élémentaire bimodale au térahertz
Metamaterials are periodic sub wavelength composite structures how may have a negative permeability and / or a negative permittivity. If permittivity and permeability are negative simultaneously, we are in presence of what we called a negative index material, sometimes called “left hand media", capable of negative refraction. By controlling some of these properties, metamaterials allow us to obtained behavior nonexistent in nature. This opens the way to new applications. In this thesis, the use of dielectric materials is justified by the reduction of a major downside: losses. Thanks to the removal of ohmic losses specific to metallic materials. A thorough numerical study of dielectric resonators, basic components of "all-dielectric" metamaterials, was conducted using a finite element commercial software. This study highlighted, at the beginning of the terahertz range, a negative permeability, a negative permittivity and a negative index, for two special ceramics, well known in literature: SrTiO₃ and TiO₂. The parametric studies on these ceramics have allowed to put in clear the key role of the inter-modal coupling in order to obtain a negative index. We have also shown the unconventional nature of inter-modal coupling when the two modes concerned are different: one magnetic, other electric. There are in fact two different coupling regimes: a simple progressive shifting of both resonance modes, and then the apparition of degenerative regime, where both modes are at the same frequency for a long range, something not really common in the literature. In addition to this theoretical contribution, our parametric studies have proposed an alternative to the two resonators paradigm, showing the possibility to design a negative index metamaterial with a single bimodal cell in terahertz range

Les métamatériaux, de par leurs propriétés originales de dispersion, sont de plus en plus étudiés. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte en mettant un accent particulier sur les structures composites équilibrées, de faibles pertes, l’agilité et les résonances de Mie. Une structure dont le motif élémentaire a la forme d’une lettre oméga est proposée en satisfaisant la condition d’équilibre. La mesure expérimentale confirme une bande passante de 8 à 16 GHz avec un point d’indice nul à 13.6 GHz. Un raisonnement identique est appliqué afin de fabriquer un prototype fonctionnement en bande millimétrique. La bande main gauche est observée aux alentours de 80 GHz avec de faibles pertes d’insertion (0.5dB/cellule). L’agilité de cette structure peut être réalisée à l’aide de cristaux liquides nématiques. Des résonateurs à anneaux fendus (SRR) ont été rendus agiles par ce biais et montrent un décalage fréquentiel du pic de résonance d’environ 300 MHz par l’application d’un champ magnétique extérieur. Par la suite, la commande d’un prototype « main gauche » est aussi effectuée. Enfin, les résonances de Mie à travers des cubes de Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) sont étudiées afin de créer une particule magnétique isotrope. Cette voie permettant de synthétiser le magnétisme artificiel, une application d’amélioration de la directivité des antennes est ici montrée. De plus, un dispositif d’invisibilité en technologie « tout diélectrique » est étudié par calcul numérique
Recently, metamaterial has attracted much attention due to unique property such as negative index. This thesis is devoted to various aspects of this field: left and right handed balanced structure, low loss, tunability and Mie resonance based metamaterial. An omega-like left and right handed balanced metamaterial was proposed following the guideline of equality of magnetic and electric plasma frequency. It is shown that this metamaterial exhibits a broad passband from 8.0 - 16.0 GHz with a transition frequency at 13.6 GHz between negative and positive index branches. Then, an omega-type left handed metamaterial (LHM) operating at millimeter wavelengths was fabricated. The left handed passband centered around 80 GHz was observed. The low insertion loss of -0.5 dB/cell may meet requirement of practical application. We studied tunable metamaterial based on nematic liquid crystal. Magnetically tunable split ring resonator shows a resonance dip shift of 300 MHz under external magnetic field. Then a tunable LHM was fabricated. Effective index variation of 0.25 arising from liquid crystal reorientation was found. Finally, we investigated Mie resonance based dielectric resonator and its related application. Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) cube exhibits isotropic magnetic resonance for tilted incidence. Besides, a thin layer of BST cubes can perform as an artificial magnetic conductor (AMC) due to in-phase reflection around magnetic resonance. Such an AMC enhances directivity of antenna more than two times. In addition, a full dielectric cloak was also demonstrated numerically by radically positioning BST rectangular bricks

Le contrôle des ondes électromagnétiques joue un rôle fondamental dans les technologies photoniques actuelles. De nos jours, on assiste à une demande croissante de composants agiles capable d'absorber efficacement les ondes électromagnétiques dans divers gamme de fréquences. Habituellement, ces absorbeurs s'appuient sur les résonances plasmoniques qui apparaissent dans les métaux nobles dans la gamme visible. Cependant, l'extension des propriétés plasmoniques aux spectres infrarouge et THz nécessite des matériaux adéquats ayant un comportement métallique à ces fréquences. Dans ce travail, nous étudions numériquement et expérimentalement les structures métal-isolant-métal (MIM) réalisées à partir de semi-conducteur hautement dopé Si: InAsSb qui a un comportement métallique dans la gamme infrarouge. Dans la deuxième partie, nous avons amélioré l'efficacité des résonateurs MIM en utilisant des métamatériaux hyperboliques qui miniaturisent les résonateurs. Dans la dernière partie, nous proposons un design universel ultra-mince qui permet de dépasser les contraintes associées au choix des matériaux et permettant la réalisation d'un absorbeur fonctionnant sur une gamme spectrale allant de l'infrarouge aux micro-onde
The control of light absorbance plays a fundamental role in today's photonic technologies. And the urge to design and develop flexible structures that can absorb electromagnetic waves is very growing these days. Usually, these absorbers relies on plasmonic resonances that arise in noble metals in the visible range. However, the extension of the plasmonic properties to the infrared and THz spectra requires adequate materials that have a metallic behavior at these frequencies. In this work, we study numerically and experimentally the metal-insulator-metal (MIM) structures realized from highly doped semiconductor Si:InAsSb that has a metallic behavior in the infrared range. In the second, part we improved the efficiency of the MIM resonators by using hyperbolic metamaterials that also miniaturize the resonators. In the last part, we propose an ultra-thin universal design that overcomes the material barrier so that the total absorption can be achieved for different spectral ranges without changing the material

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEALeti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clef dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEA-Leti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clé dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.