Academic literature on the topic 'Métamatériau sub-Longueur d'onde'

Le développement de matériaux photoniques, et plus récemment des métamatériaux suscite aujourd'hui un véritable engouement, autant en acoustique qu'en électromagnétisme. Dans ce manuscrit, nous proposons une approche originale des milieux périodiques constitués de résonateurs sub-longueur d'ondes. Par une analyse électrodynamique de ces systèmes, nous mettons en évidence les phénomènes collectifs d'hybridation dus aux interactions électromagnétiques. Une modélisation fondée sur une approximation des résonateurs en dipôles électriques et magnétiques permet une étude analytique. D'une part, cette approche est complémentaire des modèles habituellement utilisés pour décrire l'ouverture de bandes interdites dans les milieux périodiques localement résonants. D'autre part, elle permet de quantifier les propriétés de rayonnement lorsque ces milieux sont de taille finie. Ces travaux sont appliqués à la conception d'une antenne miniature dont le diagramme de rayonnement est contrôlable en fréquence et en directivité. Un dispositif d'imagerie sub-longueur d'onde reposant sur le contrôle de modes propres localisés sur la structure a également été développé. Enfin, les propriétés d'hybridations de modes entre résonateurs demi longueur d'onde sont exploitées pour la conception d'une antenne dédiée à l'Imagerie par Résonance Magnétique. Cette antenne permet de générer et contrôler la distribution du champ magnétique radio-fréquence dans les zones à imager, ce qui s'avère être un défi majeur notamment face à la montée en champ magnétique des IRM.

Cette thèse traite du contrôle de la propagation des ondes, électromagnétiques et acoustiques, à l'échelle sub-longueur d'onde dans les métamatériaux localement résonants. Ces derniers sont des matériaux composites composés d'ensembles de résonateurs agencés sur des périodes très petites comparées aux longueurs d'ondes caractéristiques de résonance. Ils sont en général considérés comme des milieux homogènes aux propriétés effectives. Nous prouvons que, au-delà de ces approches communes d'homogénéisation, les propriétés de la plupart des métamatériaux peuvent être réinterprétées à lumière d'une approche microscopique. Celle-ci permet de mettre en évidence que la propagation des ondes dans ces métamatériaux résulte de phénomènes physiques analogues à ceux mis en jeu dans les cristaux photoniques/phononiques : des interférences et de la diffusion multiple. Nous prouvons alors que les concepts de manipulation des ondes développés dans les cristaux photoniques, sont transposables aux métamatériaux, bénéficiant alors des avantages de la structuration sub-longueur d'onde. Nous montrons que des modifications locales du milieu induisent la formation de cavité et guides d'ondes confinant et guidant le champ sur des dimensions arbitrairement plus petites que la longueur d'onde. Nous étudions la capacité de ces guides à manipuler le flux d'onde spatialement et temporellement. Nous soulignons enfin l'importance de la structure microscopique des métamatériaux, jusque-là toujours négligée. Nous prouvons qu'un métamatériau dit simplement négatif (avec une seule propriété effective négative) peut présenter un indice de réfraction négatif simplement en le structurant ingénieusement
This thesis deals with the control of the wave propagation at deep sub-wavelength scales in locally resonant metamaterials. Those composite media are composed of small resonators arranged on spatial scales much smaller than their typical wavelength at resonance. They are hence generally considered as homogeneous media and described with effective parameters. We here prove that, going beyond those homogenization approaches, the properties of most metamaterials can be reinterpreted at the light of a microscopic approach. The latter evidences that the wave propagation in metamaterials only results from phenomenon analog to what happens in photonic/phononic crystals: namely interferences and multiple scattering. We hence demonstrate that concepts developed for wave manipulation in photonic/phononic crystals can be transposed in metamaterials while taking advantage of the latter sub-wavelength spatial organization. For instance, locally modifying the medium, at the scale of the unit celé, creates cavities and waveguides confining and guiding waves on dimensions that are independent of the wavelength. We further study the possibility offered by those waveguides to both mold and slow down the flow of waves. We finally highlight the importance of the spatial subwavelength structuration of metamaterials due to the presence of multiple scattering. We prove that a so-called single negative metamaterial (presenting only one negative effective property) can be turned into a double negative one (hence presenting a negative index of refraction), simply by smartly organizing the building blocks of the metamaterial, at scales much smaller than the wavelength

Les matériaux tirent beaucoup de leurs propriétés de l'interaction entre leurs constituants et une onde. Ceci est principalement conditionné par deux caractéristiques: la composition et l'arrangement structurel. Cette interdépendance est précisément décrite par la physique du solide. Ceci a ensuite motivé la découverte des matériaux composites dont les caractéristiques découlent à nouveau de ces deux critères. Ils se divisent en deux catégories. La première est celle des cristaux photoniques/phononiques, qui tirent leurs propriétés de leur arrangement périodique. La seconde catégorie est celle des métamatériaux, dont les propriétés proviennent de l'interaction de leurs constituants avec les ondes. Les effets de structure sont généralement négligés dans la description de ces milieux et ils sont considérés comme étant des milieux homogènes avec des paramètres effectifs. Ces deux types de systèmes semblent donc a priori très différents du point de vue de l'interaction avec les ondes. Dans cette thèse, nous nous intéressons au cas des métamatériaux localement résonant, c'est-à-dire à ceux dont la cellule unité est un résonateur sub-longueur d'onde. Au lieu de les considérer comme des milieux homogènes effectifs, l'idée est de partir des caractéristiques de la cellule unité du milieu ainsi que de son arrangement spatial afin d'obtenir ses propriétés macroscopiques. Cette approche microscopique permet d'appréhender conjointement les effets de structure et de composition. Ceci est décrit dans le chapitre I, où nous introduisons le concept de polariton dont la relation de dispersion présente une bande liée à des modes sub-longueur d’onde, et une bande interdite d’hybridation. Dans le chapitre II, nous tirons parti cette dernière afin d’induire un couplage localisé entre des défauts résonants qui est similaire au terme de saut que l'on retrouve au sein des Hamiltoniens tight-binding de physique du solide. Nous reproduisons ainsi les structures de bande du graphène et du réseau « dice », ce qui nous permet de mesurer des cônes de Dirac au sein du système. Dans le chapitre III, nous introduisons le concept des métamatériaux cristallins, ce qui revient à considérer ces milieux comme des cristaux photoniques/phononiques, mais à une échelle très petite devant la longueur d'onde de travail. Cela nous permet d’induire une bande négative dans le système mais aussi une bande relativement plate, et des cônes de Dirac. Dans le chapitre IV nous brisons ces cônes en réalisant un analogue de l’effet Hall quantique de Vallée, ce qui revient à modifier conjointement la structure et la composition de la cellule unité. Dans le chapitre V nous brisons encore une fois ces cônes afin de d’induire des propriétés topologiques dans le milieu et de créer un analogue macroscopique d’un isolant topologique de spin
Many material properties arise from the interaction between their constituents and a wave. This is mainly conditioned by two characteristics: the composition and the structural arrangement. This interdependence is precisely described by condensed matter physics. This motivated the discovery of composite materials whose characteristics also stem from these two criteria. They divide in two categories. The first is the photonic/phononic crystals, whose properties are linked to their periodic arrangement. The second category is the one of metamaterials, whose properties come from the interaction of their constituents with the waves. The structural effects are generally neglected in the description of these media and they are considered to be homogeneous media with effective parameters. These two types of systems seem very different from the point of view of the interaction with the waves. In this thesis, we focus on locally resonant metamaterials, whose unit cell is a sub-wavelength resonator. Instead of seeing them as effective homogeneous media, the idea is to start from the characteristics of the unit cell of the medium as well as from its spatial arrangement in order to obtain its macroscopic properties. This microscopic approach makes it possible to jointly apprehend the effects of structure and composition. This is described in Chapter I, where we introduce the concept of polariton whose dispersion relation has a band linked to subwavelength modes, and a hybridization bandgap. In Chapter II, we use the latter to induce a localized coupling between resonant defects that is similar to the hopping term found in tight-binding solid-state physics Hamiltonians. We reproduce the band structures of graphene and of the dice lattice, which allows us to measure Dirac cones within the system. In Chapter III, we introduce the concept of crystalline metamaterials, which amounts to seeing these media as photonic/phononic crystals, but on a very small scale compare to the operating wavelength. This allows us to induce a negative band in the system but also a relatively flat band, and Dirac cones. In Chapter IV we break these cones by creating an analogue of the quantum Hall effect of Valley, which amounts to jointly modifying the structure and composition of the unit cell. In Chapter V we again break these cones in order to induce topological properties in the medium and to create a macroscopic analogue of a topological isolator

L'imagerie infrarouge est composée de deux types de détecteurs: les détecteurs refroidis (détecteurs quantiques, coûteux mais très performants) ainsi que les détecteurs non-refroidis (détecteurs thermiques, bas coût) dont fait partie le microbolomètre. Le système optique associé au microbolomètre représente une part importante du prix de la caméra, d'autant plus lorsque la tendance est à la réduction du pas pixel et qu’il devient nécessaire d'ouvrir davantage le système optique pour conserver une qualité image équivalente. Cette amélioration des performances du système optique nécessite l’emploi d’optiques complexes composées de plusieurs lentilles, éventuellement asphériques. Cela se traduit par l'augmentation du coût final de la caméra infrarouge. L’objectif de cette thèse est de réduire le coût du système optique en remplaçant par une métasurface une ou plusieurs lentilles nécessaires à l’obtention d’une bonne qualité d’image. Les métasurfaces sont des optiques planaires qui peuvent être réalisées par des procédés de fabrication collectifs et bas coût de la micro-électronique. Pour un fonctionnement dans la gamme LWIR (8 – 14 µm), nous avons réalisé les fonctions optiques des métasurfaces avec des motifs sub-longueur d'onde (méta-atomes) gravés sur un wafer en silicium à l’aide d’un procédé basé sur la photolithographie. Les travaux de thèse se sont articulés autour de la démonstration de la possibilité d’utiliser une métasurface comme une lame de phase permettant de corriger des aberrations optiques de façon achromatique sur la gamme LWIR. Nous avons tout d’abord étudié la correction simultanée de l'aberration sphérique et de l'aberration chromatique d’une lentille du commerce. Pour cela, la loi de phase nécessaire a été déterminée à l’aide d’un logiciel de tracé de rayons puis une bibliothèque de méta-atomes permettant de réaliser cette loi de phase a été constituée avec des simulations électromagnétiques rigoureuses. Le contrôle de la dispersion de la métasurface impose un certain nombre de contraintes et de limitations qui ont été mises en évidence au cours de ce travail. La phase de conception a été suivie de la fabrication d’échantillons. Leur caractérisation à l’aide d’un analyseur de front d’onde a validé une correction de l’aberration sphérique sur toute la gamme LWIR. Un autre volet de la thèse a eu pour objectif d'étudier l'utilisation d'une métasurface pour corriger à la fois les aberrations d'ouverture et de champ d'un système optique plus proche des applications visées par l’industriel partenaire
Infrared imaging systems include two types of detectors: cooled detectors (quantum detectors, expensive but with high performance) and uncooled detectors (thermal sensors, low cost). The latter family includes microbolometers. An important part of the price of a thermal camera is due to the optical system, especially when the pixel pitch is reduced and when it becomes necessary to increase the aperture to keep an equivalent image quality. This enhancement of the optical performances requires the use of more complex systems composed of several lenses, possibly aspheric. This results in an increase of the final cost of the infrared camera. This thesis aims to reduce the cost of the optical system by replacing by a metasurface one or more lenses needed to obtain a good image quality. Metasurfaces are planar optical elements that can be fabricated using the low-cost collective fabrication processes routinely used in microelectronics. For operating wavelengths in the LWIR range (8-14 µm), we realized the optical functions of our metasurfaces by etching sub-wavelength structures (meta-atoms) on a silicon wafer with a photolithography-based process. The objective of the thesis was to demonstrate the possibility to use a metasurface as a phase plate to correct geometrical aberrations achromatically over the LWIR band. We have first studied the simultaneous correction of spherical aberration and chromatic aberration of a commercial lens. To this effect, the required phase function has been calculated with a ray tracing software and then a library of meta-atoms able to realize this phase was designed with rigorous electromagnetic simulations. The control of the phase dispersion imposes some constraints and limitations that have been highlighted in this work. The fabrication of several samples followed the design. The characterization of the samples using a wavefront sensor validated the correction of the spherical aberration over the whole LWIR band. The correction of on and off-axis aberrations at the same time on the LWIR band was also studied for an optical system closer to the applications targeted by the industrial partner

Ce travail de thèse se décompose en deux parties. Tout d'abord, nous présentons une nouvelle technique de focalisation d'ondes avec un seul émetteur en cavité réverbérante (FIM) en profitant d'un algorithme inspiré du filtre inverse. Via l'étude expérimentale de cavités réverbérantes dans le domaine des ultrasons, nous démontrons la capacité du FIM à optimiser la focalisation quelle que soit le type de cavité (de type ergodique ou non). Dans une deuxième partie, la propagation d'ondes élastiques dans un système formé par un ensemble de tiges d'aluminium collées sur une plaque mince de même nature, est étudiée. Ces tiges (résonateurs quasi-ponctuels) sont arrangées de façon périodique ou aléatoire sur une échelle sub-longueur d'onde. Le métamatériau ainsi constitué révèle la présence de larges bandes de fréquences interdites. De plus, la coexistence de résonances de flexion et de compression dans les résonateurs, ajoutée à la présence d'une conversion d'une partie de l'énergie du mode A0 vers le mode S0 dans la plaque, crée une grande complexité du champ d'onde. C'est ce qui fait de ce type de métamatériau, des objets tout à fait singuliers à l'échelle mésoscopique
This thesis is divided into two parts. First, we present a new technique for focusing waves with one emitter in reverberant cavity (OCIF) inspired by inverse filter algorithm. Through the experimental study of reverberant cavities in the field of ultrasound, we demonstrate the ability of the OCIF to optimize the focusing no matter what type of cavity (ergodic type or not). In a second part, we investigate the propagation of elastic waves in a system formed by a set of aluminum rods glued to a thin plate of the same material. These rods form a set of quasi-punctual resonators in the propagation plane of waves. It is possible to arrange them periodically or randomly on a subwavelength scale. The metamaterial thus formed shows a complex wave field within it, including the presence of wide prohibited frequency ranges (bandgaps). The experimental and numerical approaches described in this manuscript show the existence of both flexural and compressional resonances in the resonators. Added to the presence of a conversion of a portion of the energy from the $A0$ Lamb mode to the $S0$ one in the plate, such a complexity makes this type of metamaterials, quite unusual objects at the mesoscopic scale

La technologie photonique sur silicium s'appuie sur les procédés matures de fabrication de l'industrie du semi-conducteur pour produire des composants opto-électroniques à échelle industrielle. Les métamatériaux à base de réseaux sub-longueur d'onde permettent de contrôler le confinement du mode et la dispersion, et ont ainsi été implémentés pour démontrer des performances de pointe de composants photoniques intégrés. Les effets de diffraction et de réflexions sont supprimés dans les matériaux sub-longueur d'onde. Leurs dimensions sont petites et sont environ de 100 nm. Jusqu'à présent, la majorité des composants sub-longueur d'onde ont été fabriqués par lithographie électronique. Or, cette technique n'est pas compatible avec une production à large échelle. Aujourd'hui, la lithographie à immersion se déploie dans les fonderies photoniques sur silicium. Elle permet de définir des dimensions aussi petites que 70 nm, avec un modèle de correction d'effets optiques de proximité. Le but principal de cette thèse est d'étudier la faisabilité de l'utilisation de la lithographie à immersion avec la correction d'effets optiques de proximité pour la fabrication de composants photoniques sub-longueur d'onde de pointe. Ces composants ont été développés sur des plaques de 300 mm de diamètre au CEA-Leti. Trois composants ont été étudiés, chacun avec une spécificité technologique : i) un diviseur de puissance avec une seule étape de gravure complète, ii) un réseau de couplage puce-fibre alternant des gravures partielles et complètes, et iii) une matrice d'antennes optiques, couvrant une large surface, avec une étape de gravure partielle. Le diviseur de puissance est constitué d'un coupleur par interférométrie multi-mode (MMI) avec des réseaux sub longueur d'onde pour contrôler la dispersion des modes optiques et ainsi pour obtenirune très large bande passante spectrale, qui a été mesurée expérimentalement à 350 nm, et qui en bon accord avec les simulations. La bande passante d'un MMI conventionnel sans structures sub longueur d'onde n'est que de 100 nm environ. Le réseau de couplage puce-fibre s'appuie sur une géométrie en forme de « L », avec des structures sub-longueur d'onde gravés partiellement et complètement, pour augmenter l'efficacité de couplage. Celle-ci a été mesurée à -1.70 dB (68 %) à une longueur d'onde de 1550 nm et représente la meilleure performance pour une telle structure complexe, utilisant une technologie autre que la lithographie électronique. Néanmoins, la valeur mesurée est inférieure à la valeur simulée de 0.80 dB (83 %). Une des raisons principales de cette performance limitée est la sensibilité de cette structure aux erreurs d'alignement entre les deux étapes de gravure pendant la fabrication. L'antenne optique est constituée de structures sub longueur d'onde partiellement gravées pour obtenir une grande surface d'émission de 48 µm×48 µm, réduisant ainsi la divergence du faisceau. Cette antenne a été implémentée comme antenne unitaire dans une matrice 4×4 à réseau phasé avec un pas de 90 µm×90 µm. A une longueur d'onde de 1550 nm, le faisceau émis par l'antenne unitaire a une divergence à mi-hauteur mesurée de 1.40° et celui émis par la matrice d'antennes a une divergence à mi hauteur de 0.25°. Ces valeurs sont en accord avec les valeurs simulées. Ces résultats servent comme preuve de concept de l'implémentation d'une telle antenne dans une matrice à réseau phasé. En résumé, les résultats de cette thèse illustrent le grand potentiel de la lithographie à immersion avec la correction d'effets optiques de proximité pour la fabrication de composants photoniques sub- longueur d'onde, ouvrant ainsi la voie pour la commercialisation de ces derniers
Silicon photonics technology leverages the mature fabrication processes of the semi-conductor industry for the large volume production of opto-electronic devices. Subwavelength grating (SWG) metamaterials enable advanced engineering of mode confinement and dispersion, that have been used to demonstrate state-of-the-art performance of integrated photonic devices. SWGs generally require minimum feature sizes as small as a 100 nm to suppress reflection and diffraction effects. Hitherto, most reported SWG-based devices have been fabricated using electron-beam lithography. However, this technique is not compatible with large volume fabrication, hampering the commercial adoption of SWG-based photonic devices. Currently, immersion lithography is being deployed in silicon photonic foundries, enabling the patterning of features of 70 nm, when used in conjunction with optical proximity correction (OPC) models. The main goal of this PhD is to study the feasibility of immersion lithography and OPC for the realization of high-performance SWG devices. The SWG devices developed here have been fabricated using the OPC models and 300 mm SOI wafer technology at CEA-Leti. Three devices have been considered as case studies, each with a specific technological challenge: i) a power splitter requiring a single full etch step, ii) a fiber-chip grating coupler interleaving full and shallow etch steps, and iii) an optical antenna array covering a large surface area with a shallow etch step. The power splitter is implemented using a SWG-engineered multi-mode interferometer (MMI) coupler. The SWG is used to control the dispersion of the optical modes to achieve an ultrawide operating spectral bandwidth. This device experimentally showed state-of-the-art bandwidth of 350 nm, in good agreement with simulations. Note that the bandwidth of a conventional MMI without SWG is around 100 nm. The fiber-chip coupler relies on an L-shaped geometry with SWG in full and shallow etch steps to maximize the field radiated towards the fiber. The measured coupling efficiency, of - 1.70 dB (68 %) at a wavelength of 1550 nm, is the highest value reported for an L-shaped coupler fabricated without electron-beam lithography. Still, this value differs from the calculated efficiency of 0.80 dB (83 %), and compares to experimental values achieved with fiber-chip grating couplers without SWG (~ -1.50 dB). One of the main reasons for the limited experimental performance is the strong sensitivity of the structure to errors in the alignment between the full and shallow etch steps. The optical antenna uses shallowly etched SWG teeth to minimize the grating strength, allowing the implementation of a large area emission aperture, of 48 × 48 µm, which is required to minimize the beam divergence. A two-dimensional (2D) optical phased array (OPA) with an antenna pitch of 90 µm × 90 µm, comprising 16 antennas was designed and fabricated. The SWG-based unitary antenna has a measured full width at half maximum divergence of 1.40° at a wavelength of 1550 nm, while the beam emitted from the phased array has a divergence of 0.25°, both in very good agreement with expected values. These results serve as a good proof-of-concept demonstration of this novel antenna architecture. In summary, the results shown in this PhD illustrate the great potential of immersion lithography and OPC for harnessing SWG-engineering, paving the way for their commercial adoption. Devices with full or shallow etch steps exhibited excellent performance close to that predicted by simulations. The fiber-chip grating couplers deviated from expected results, probably due to the tight fabrication tolerances associated with the combination of full and shallow etch steps

Ce travail de thèse s’intéresse à l’amélioration de la compacité des antennes destinées en priorité aux systèmes embarqués tout en respectant les exigences de performance et de compétitivité. L’approche explorée consiste à utiliser des matériaux artificiels fonctionnant en transmission et conçus en structurant la matière diélectrique à une échelle plus petite que la longueur d’onde (sub-longueur d’onde). Cette structuration permet en pratique d’opérer une variation de l’indice de réfraction effectif afin de réaliser des éléments diffractifs aptes à remplir une fonction hyperfréquence. Cependant, la particularité de ce type d’élément structuré est de mêler plusieurs échelles physiques engendrant une complexité dans leur étude. La plus grande dimension d’un composant structuré peut atteindre plusieurs dizaines de longueur d’onde, par exemple 20λ, alors que la taille minimale des structures sub-longueur d’onde peut être inférieure à une fraction de la longueur d’onde, tel que λ/20. Cet aspect multi-échelle allonge les temps de simulation des dispositifs antennaires intégrant ces éléments structurés, empêchant ainsi toute possibilité d’optimisation multi-paramètres dans des temps raisonnables. Afin de pouvoir exploiter pleinement le potentiel de ces matériaux structurés, un modèle numérique de calcul a été développé sur la base des chemins optiques. Ce modèle restitue des résultats sur le maximum de gain des antennes lentilles diffractives structurées avec une précision de 0,5 dB. Le temps de calcul du modèle est de l’ordre de la minute comparée à plus de 6 heures pour une simulation complète avec le logiciel de calcul électromagnétique CST. La rapidité et la précision de ce modèle ont été mises à profit pour optimiser la conception d’une lentille diffractive structurée. Pour illustrer la pertinence de cette approche structurée, ses performances ont été comparées à celles des antennes lentilles de Fresnel et à profil hyperbolique. Cette comparaison s’est faite dans des conditions d’encombrement identiques avec un rapport longueur sur diamètre L/D de 0,5. Le gain de la lentille structurée se révèle être plus élevé de 1,6 dB par rapport à celui de la lentille de Fresnel et de 2,7 dB par rapport à celui de la lentille hyperbolique
This work focuses on the improvement of the antennas compactness used primarily for embedded systems while respecting the performance and competitiveness requirements. The approach explored consists in using artificial materials operating in transmission and designed by structuring the dielectric material on a scale smaller than the wavelength (sub-wavelength). This structuring makes it possible in practice to achieve a variation in the effective refractive index in order to produce diffractive elements capable of performing a microwave function. However, the particularity of this type of structured element is to mix several physical scales generating complexity in their study. The largest dimension of a structured component can reach several tens of wavelength, for example 20λ, while the minimum size of the sub-wavelength structures may be less than a fraction of the wavelength, as than λ / 20. This multi-scale aspect increases the simulation times of antenna devices integrating these structured elements, thus preventing any possibility of multi-parameter optimization in reasonable times. In order to exploit fully the potential of these structured materials, a numerical model of computation has been developed on the basis of optical paths. This model gives results on the maximum gain of structured diffractive lens antennas with an accuracy of 0.5 dB. The computation time of the model is of the order of the minute compared to more than 6 hours for a complete simulation with the electromagnetic calculation software CST Microwave Studio. The speed and precision of this model have been used to optimize the design of a structured diffractive lens. To illustrate the relevance of this structured approach, its performances were compared with those of Fresnel lens antenna and hyperbolic lens antenna. This comparison was carried out under identical footprint conditions with a length to diameter ratio L / D of 0.5. The gain of the structured lens was found to be 1.6 dB higher than the Fresnel lens and 2.7 dB higher than the hyperbolic lens

Cette thèse traite du contrôle des micro-ondes en milieux réverbérants, dans la continuité d'autres travaux réalisés à l'Institut Langevin. Nous commençons par les principes généraux touchant à la propagation des ondes en milieux complexes, c'est-à-dire des milieux réverbérants ou diffusants. Nous revenons sur le concept de degrés de liberté et expliquons pourquoi les techniques du retournement temporel et du façonnage de front d'ondes sont des moyens efficaces pour contrôler les ondes dans ces milieux. Nous introduisons ensuite une technique innovante en micro-ondes permettant de contrôler le couplage de milieux réverbérants avec l'extérieur. Pour cela, nous proposons d'ouvrir une cavité avec un réseau de diffraction sub-longueur d'onde se comportant comme un miroir partiellement réfléchissant. Nous montrons ensuite comment nous pouvons remplacer ces réseaux par des résonateurs plans et fractaux pour focaliser des champs micro-ondes sur des dimensions très sub-longueur d'onde grâce à des techniques de retournement temporel monovoie. Enfin, nous détaillons la fabrication et l'utilisation d'une métasurface reconfigurable permettant de contrôler passivement les degrés de liberté spatiaux d'un milieu réverbérant. Nous montrons que cela permet d'optimiser un signal à des fréquences WIFi en façonnant le champ micro-onde de manière similaire à l'optique en milieux diffusants avec des modulateurs spatiaux de lumière. Nous présentons également un model adapté à notre cas de figure ainsi qu'une nouvelle approche numérique intégrale basée sur la méthode des potentiels de couche, et permettant de calculer les modes d'une cavité dont les conditions aux limites sont mixtes
This thesis, dealing with controlling microwaves in reverberating media, is in the straight line of previous works performed at the Institut Langevin. We start by considering the general principles of the propagation of waves in complex media, which are basically reverberating or multiple scattering media. We review the concept of degrees of freedom and explain why techniques such as time reversai and wave front shaping are efficient to control waves in such media. We introduce a novel and efficient way to control the coupling of a cavity to the exterior. To do so, we propose to open a cavity with a sub-wavelength diffraction grating. We show that the latter behaves as a partially reflecting mirror. We then show how we can replace such grating by a fractal planar resonator in order to focus waves on very subwavelength dimensions Finally we detail the concept, the design and the use of a reconfigurable reflect array that allow to passively control spatial degrees of freedom of a reverberating media. We show that this modulator permits to optimize a signal at WIFI frequencies by shaping the field in a similar way than it is done in scattering media in otpics with spatial light modulators. We present a mode) adapted to our situation and a new numerical approach based on the boundary layers potential to obtain the eigenmodes of a cavity with mixed boundary conditions

La demande croissante en composants optoélectroniques de taille réduite, rapides, de faible puissance et à faible coût oriente la recherche vers des sources et détecteurs de radiation ayant une dimension inférieure à la longueur d'onde émise/détectée. Cette dernière est entravée par la limite de diffraction qui fixe la dimension minimale des dispositifs optiques à la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement. A l'inverse, les dispositifs électroniques, tels que les antennes et les oscillateurs, ne sont pas limitée en taille et leur fréquence peut être accordée par des composants discrets. Par conséquent, unifier les mondes de la photonique et de l'électronique permettrait de concevoir de nouveaux dispositifs optoélectroniques sans limitation de taille imposée par la longueur d'onde et ayant des fonctionnalités empruntées aux circuits électroniques. La région spectrale idéale pour développer ce paradigme est la gamme térahertz (THz), à mi-chemin entre les domaines de l'électronique et de l'optique. Dans la première partie de ces travaux, nous présentons de nouveaux micro-résonateurs sub-longueur d’onde en 3D qui fonctionnent comme des circuits LC microscopiques et où la fréquence de résonance peut être accordée en agissant séparément sur la région capacitive et/ou inductive. Dans la deuxième partie, nous illustrons la puissance de cette approche en réalisant de nouveaux méta-dispositifs THz passifs (polaritoniques, commutables optiquement, optiquement actifs) basés sur des composants discrets. La dernière partie de cette thèse est consacrée aux méta-dispositifs actifs. Des photodétecteurs THz à puits quantiques ayant une dimension ≈λ eff /10, en configuration objet unique et réseau sont démontrées, grâce à un schéma de contact efficace et originale pour extraire (injecter) un courant depuis (dans) le cœur semi-conducteur intégré dans chaque résonateur. Enfin, une étude de faisabilité d'un laser sub-longueur d’onde aux fréquences THz est présentée
The need for small, fast, low-power and low-cost optoelectronic components is driving the research towards radiation sources and detectors having a dimension that is smaller than the emitted/detected wavelength. This is hampered by the optical diffraction limit which constrains the minimum dimension of optical devices at half the operating wavelength. Conversely, electronic devices, such as antennas and oscillating circuits, are not diffraction-limited in size and can be frequency tuned with lumped components. Hence, blending the worlds of photonics and electronics has the potential to enable novel optoelectronic devices with no lower size limit imposed by the wavelength, and with novel functionalities borrowed from electronic circuits. The ideal spectral region to develop this paradigm is the terahertz (THz) range, halfway between the electronics and optics realms. In the first part of this work, we present novel subwavelength 3D micro-resonators that behave as microscopic LC circuits, where the resonant frequency can be tuned acting separately on the capacitive and/or inductive regions. In the second part we illustrate the power of this concept by implementing novel lumped-elements-based passive THz meta-devices (polaritonic, optically switchable, optically active). The last part of this thesis is devoted to active meta-devices. Single-pixel and arrays of THz quantum well photodetectors featuring a ≈λeff/10 dimension are demonstrated, thanks also to an effective and original contact scheme to extract (inject) current from (into) the semiconductor core embedded by each resonator. Finally, a feasibility study of a subwavelength laser at THz frequencies is reported