In the late eighties, a new class of materials, known as photonic crystals (PCs), emerged enabling the propagation and generation of light to be potentially manipulated with unprecedented control. PCs consist of a periodic modulation of dielectric constant in one, two, or three dimensions, which can result in the formation of directional or omni-directional photonic band gaps (PBGs), spectral regions where light propagation is forbidden, and more remarkably, novel dispersion characteristics. Since PC properties scale with the dimension of the wavelength of interest, significant technological constraints must be fully addressed to manufacture 3D PBG materials for optical or infrared applications such as displays, lightning, and communications. PCs enable the unraveling of unique optical phenomena such as PBGs, spontaneous emission rate manipulation, sub-wavelength focusing, and superprism effects. This research focuses on the feasibility to achieve omni-directional PBGs in synthetic opal-based 3D PCs through precise nanoscale control to the original dielectric architecture. In particular, the optical response to the conformal deposition of dielectric layers using atomic layer deposition (ALD) within the porous template is strongly emphasized. Geometrical models were developed to faithfully model the manipulation of the synthetic opal architecture by ALD and then used in electromagnetic algorithms to predict the resulting optical properties. From these results, this research presents and investigates a scheme used to greatly enhance and adjust the PBG width and position, as well as simultaneously reducing the dielectric contrast threshold at which the PBG forms. This Thesis demonstrates that the unique opal architectures offered by ALD not only supports the formation of larger PBGs with high index materials; but also enables the use of optically transparent materials with reduced refractive index. Additionally, slight alteration of these structures facilitates the incorporation of non-linear (NL) electro-optical (EO) material for dynamic tuning capabilities and potentially offers a pathway for fabricating multi-functional photonic devices. Finally, low-temperature ALD was investigated as a means to manipulate band gaps and dispersion effects in 2D PC silicon slab waveguides and 3D organic biologically-derived templates. The results indicate the unique ability of ALD to achieve composite structures with desirable (large PBGs) or novel (slow light) optical properties.

Tato diplomová práce se zabývala plazmonickými anténami pro infračervenou oblast spektra elektromagnetického záření. K hledání zesílení pole bylo použito FDTD (Finite-Difference Time-Domain Method) simulací. Podle očekávání, byla shledána lineární závislost rezonanční vlnové délky na délce raménka platinové antény na křemíkovém povrchu. Diplomová práce se také zabývala výrobou antén pomocí fokusovaného iontového svazku (FIB) a následným měřením rezonančních vlastností pomocí mikroskopické metody FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy). Posun rezonanční vlnové délky byla registrována pouze pro negativní antény. Nakonec se tato práce zabývala vysvětlením saturace křivky závislosti rezonanční vlnové délky na rozměru raménka platinové antény na substrátu ze SRONu (silicon-rich oxynitride).

Práce pojednává o vlastnostech plazmonických antén v infračervené a viditelné oblasti. Práce zahrnuje výrobu, měření a numerické modelování optických vlastností antén. Infračervené plazmonické antény na absorbujícím substrátu (SRON) jsou studovány pro jejich rezonanční a absorpční vlastnosti. Byla nalezena geometrie antény, která poskytuje maximální účinnost absorpce ve SRON vrstvě. Dále je studována možnost zesílení daného vibračního módu substrátu (obsahujícího 3-4 materiálové rezonance) pomocí plazmonické rezonance antény. Nakonec jsou prezentována měření katodoluminiscenčních spekter antén ve viditelném spektru.

Tato diplomová práce se zabývá vlastnostmi plazmonických antén v oblasti vysokých vlnových délek. Důraz je kladen na popis rezonančních vlastností jednotlivých antén i antén uspořádaných do periodických polí. Těžiště práce spočívá v počítačovém modelování navýšení magnetického pole v blízkosti antén, které lze využít ve vysokofrekvenční elektronové paramagnetické rezonanci (HFEPR) k zesílení měřeného signálu. Autor se zabývá kvantifikací zesílení v anténách s odlišnou geometrií a navrhuje i geometrii vlastní. Značná část práce se také věnuje snaze rozlišit příspěvky k navýšení magnetického pole od různých zdrojů při měření HFEPR v uspořádání s dvojitou transmisí záření.

Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de lentilles planaires nano-structurées dédiées aux capteurs d’images CMOS dans le proche-infrarouge. L’étude des applications et des systèmes d’imagerie optronique mis en jeu ont mis en évidence l’intérêt de l’utilisation des capteurs d’images CMOS dans la bande 800-1100 nm. Les inconvénients liés au silicium et à la structure du pixel justifient l’intégration de lentilles planaires nano-structurées compatibles avec le procédé de fabrication CMOS : une lentille plasmonique, une lentille diffractive métallique dite de Huygens, une lentille diélectrique dite de phase de Fresnel et une lentille à gradient d’indice effectif. Les simulationsélectromagnétiques 2D d’un pixel CMOS complet avec chaque lentille planaire ont démontré l’intérêt de la lentille métallique dans un pixel à faible facteur de remplissage et de la lentille de phase de Fresnel pour un pixel standard. Les simulations électromagnétiques 3D ont permis la conception de ces deux dernières lentilles pour leur fabrication tandis que la lentille à gradient d’indice effectif, susceptible d’approcher le profil de phase idéal, a montré son potentiel pour les pixels CMOS. La caractérisation électro-optique a mis en évidence la performance expérimentale de la lentille de phase de Fresnel fabriquée en "post-process" au LPN-CNRS et de la lentille de Huygens fabriquée "in-process" en fonderie CMOS. Les nombreuses perspectives de ce travail liés à la fabrication et à la marge de progression des lentilles ont été explorées. / This work deals with the design, fabrication and characterization of nanostructuredplanar lenses dedicated to near infrared detection for CMOS image sensors.Applications and optronic systems involved in near infrared imaging have been investigatedin order to highlight the strong interest of CMOS images sensors for the 800-1100 nmspectral band. Limitations of silicon and pixel structure explain the integration of nanostructuredplanar lenses compatible with CMOS fabrication process : a plasmonic lens, a dielectricphase-Fresnel lens, a metallic Huygens lens and a gradient-index lens. 2D electromagneticsimulations of a CMOS pixel with each planar lens have demonstrated the good performanceof the Huygens lens for low fill factor pixels and the phase-Fresnel lens for standard pixels.3D simulations of these lenses have been performed for their integration and fabrication inCMOS image sensors. The 3D design by numerical simulations of a gradient-index lens hasshown its potential interest for CMOS pixels. The experimental performance of a dielectriclens "post-process" integrated/fabricated at LPN-CNRS and a metallic lens "in-process" by aCMOS foundy have been evaluated by electro-optical characterization. Several perspectivesof this work about lens fabrication and potential for improvement have been explored.