Le concept de l'optique de transformation qui permet de contrôler le trajet des ondes électromagnétiques à volonté en appliquant une variation spatiale judicieusement définie dans les paramètres constitutifs, est exploré pour concevoir des nouveaux types d'antennes et de dispositifs micro-ondes. Dans une première partie, basée sur la transformation de coordonnées, un dispositif d'illusion capable de modifier l'apparence d'une émission électromagnétique et de la délocaliser, est validé par le biais de simulations numériques. Un dispositif de transition de guide d'ondes, permettant d'assurer une transmission quasi totale entre deux guides d'ondes de sections transversales différentes est également conçu et validé expérimentalement par l'utilisation des résonateurs à métamatériaux. Dans une seconde partie, la transformation de l'espace basée sur l'équation de Laplace est étudiée pour concevoir des lentilles pour les applications antennaires. Une lentille de focalisation capable de restaurer les émissions en phase d'un réseau conforme d'éléments rayonnants et une lentille à dépointage qui permet de dévier la direction du faisceau rayonné d'une antenne sont conçues. Des prototypes fabriqués à partir d'un matériau isotrope tout-diélectrique grâce à la technologie d'impression en trois dimensions (3D) permettent de valider expérimentalement la fonctionnalité des lentilles sur une large bande de fréquence. / The concept of transformation optics which can control electromagnetic waves at will by applying a judiciously defined spatial variation in the constitutive parameters is explored to design novel type antennas and microwave devices. In a first part, based on coordinate transformation, an illusion device able to modify the appearance of an electromagnetic emission and then delocalize it is validated through numerical simulations. A waveguide tapering device allowing to assure quasi-total transmission between two waveguides of different cross-sections is also designed and validated experimentally through the use of metamaterial resonators. In a second part, space transformation based on Laplace's equation is studied to design lenses for antenna applications. A beam focusing lens able to restore in-phase emissions from a conformal array of radiators and a beam steering lens that allows deflecting the radiated bema of an antenna are designed. Prototypes fabricated by an all-dielectric isotropic material through three-dimensional (3D) polyjet printing technology allow to experimentally validate the functionality of the lenses on a wide frequency range.

Les méta-surfaces permettent de contrôler efficacement es rayonnements électromagnétiques en manipulant la phase, l'amplitude et la polarisation des ondes. Pour de nombreuses applications, telles que des fonctions d’agilité, de commutations et de détection, des surfaces de haute performance sont nécessaires. L’objectif de cette thèse est d'explorer des méthodes innovantes permettant d'améliorer les facteurs de qualité des méta-surfaces dans les domaines micro-ondes et optique. La limitation des méta-surfaces est généralement liée aux pertes par rayonnement et à l'absorption non radiative. L'étude se concentre sur des solutions permettant la suppression des pertes de rayonnement en utilisant des concepts de mode sombre et de résonance de Fano. Un mécanisme d'excitation direct de mode sombre dans un résonateur individuel basé sur l’adaptation de symétrie est proposé. La possibilité d'améliorer l'efficacité de la réponse magnétique en optique est présentée. L'analyse de l'excitation par résonance de Fano dans un système de résonateurs couplés identiques est également réalisée sur la base du formalisme de la théorie des modes couplés. Deux configurations générales correspondant à l'arrangement spatial symétrique et énantiomères des résonateurs sont considérées. Dans le premier cas, le système de cavité formé par les méta-surfaces très proches fournit des caractéristiques spectrales très étroites et une sensibilité efficace élevée par rapport aux cavités Fabry-Perot conventionnelles. Dans le second cas, les caractéristiques de conception permettent de contrôler la suppression des pertes de rayonnement, permettant d'augmenter considérablement le facteur de qualité de la résonance de Fano. / Metasurfaces allows an effective control of electromagnetic radiation by manipulating phase, amplitude and polarization of electromagnetic waves. For numerous applications including tunable, switchable and sensing functionalities, high performance metasurfaces are required. The goal of this thesis is to explore innovative methods enabling to improve the quality factors of metasurfaces in microwave and optical domains. The limitation of metasurfaces is generally related to radiation losses and non-radiative absorption. The study is focused on solutions allowing the suppression of radiative losses by using concepts of dark mode and Fano resonance. A direct dark mode excitation mechanism in individual resonator based on symmetry matching is proposed. The possibility to enhance magnetic response efficiency in optical frequency range is presented. Analysis of Fano resonance excitation in a system of identical coupled resonators is also performed on the basis of coupled mode theory formalism. Two general configurations are considered corresponding to symmetric and enantiomeric space arrangement of resonators. In the first case, cavity system formed by near-field coupled metasurfaces provides sharp spectral characteristics and high efficient sensitivity compared to conventional Fabry-Perot cavities. In the second case the design features enables to control suppression of radiation losses, allowing to considerably increase Fano resonance quality factor.

Le but de la thèse était de simuler le spectre d'absorption de méta-matériaux pour les applications photovoltaïques. Par méta-matériaux, nous entendons une assemblée d'objets de taille nanométrique situés à distance mésoscopique. L'idée sous-jacente est qu'en modifiant la taille du nano-objet et l'arrangement géométrique, on peut ajuster le seuil d'absorption. Pour calculer ces quantités, j'ai utilisé l'état de l'art du formalisme, c'est-à-dire des méthodes ab initio.La première étape du travail a été dédiée au calcul de l'absorption d'un objet isolé (tranche de silicium, graphène, hBN). Dans le cadre de codes périodiques, on utilise une supercellule avec du vide pour isoler l'objet, et une méthode a été développée précédemment dans le groupe de Spectroscopie Théorique du LSI, pour obtenir des résultats indépendants du vide. Elle est appelée Selected-G, et a été appliquée avec succès aux surfaces de silicium. Pour une tranche isolée, une expression modifiée du potentiel coulombien dans l'espace réciproque, appelé "slab potential", doit être utilisée. Pour valider l'utilisation du potentiel de slab pour le calcul de la matrice diélectrique microscopique, j'ai simulé les spectres de perte d'énergie d'électrons pour des empilements de quelques plans de graphène, et reproduit avec succès les données expérimentales disponibles. Cela a offert la possibilité d'étudier la dispersion du plasmon d'un plan de graphène, et discuter la nature des excitations électroniques dans ce système (transitions interband ou plasmon 2D).La second étape a été consacrée à l'étude du spectre d'absorption d'une assemblée de tranches en interaction. Comme il a été mis en évidence que le formalisme de supercellule agit comme une théorie de matériau moyen avec du vide, avec l'effet erroné d'avoir des spectres dépendant de la taille de la supercellule, j'ai renversé la procédure pour extraire le spectre de la tranche en interaction, affranchi du problème du vide. La faisabilité a été démontrée sur les tranches de hBN, dont le caractère semi-conducteur à large bande interdite évite les instabilités numériques.Cela a permis de comprendre la raison pour laquelle l'absorption de la tranche en interaction de silicium apparaît à plus basse énergie que celle du matériau massif: cela vient de la présence des états de surface dans la bande interdite de la structure de bandes du massif. Néanmoins, la différence avec la tranche isolée doit être encore étudiée.La troisième partie a été dédiée à l'étude de matériaux utilisés, ou candidats, aux applications photovoltaïques comme InP et InSe. J'ai étudié dans un premier temps les structures de bandes des massifs. Pour corriger la sous-estimation de la bande interdite calculée dans l'approximation de la densité locale (LDA), j'ai calculé les corrections GW, et utilisé la fonctionnelle d'échange et corrélation de Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE). Le spectre d'absorption de InP massif a été calculé en résolvant l'équation de Bethe-Salpeter, qui permet de tenir compte des effets excitoniques. Comme ce calcul est très lourd numériquement, j'ai également comparé avec le calcul beaucoup plus léger de TDDFT avec le kernel à longue portée pour introduire les effets excitoniques. Pour le massif de InSe, j'ai calculé les corrections HSE pour les valeurs propres et obtenus un bon accord avec la bande interdite expérimentale. Les spectres obtenus en TDDFT, avec le kernel à longue portée, donne de bons résultats. J'ai commencé l'étude de tranches de ces deux matériaux. Des couches épaisses de InP et InSe ont été considérées et une reconstruction de surface (2x2) a été réalisée sur InP pour obtenir une surface semi-conductrice. La structure de bande LDA et les spectres d'absorption ont été calculés. Comme des systèmes d'une telle taille sont hors de portée des calculs de corrections HSE, l'étude s'est concentrés sur des tranches beaucoup plus fine de InSe. / The purpose of the thesis was to simulate the absorption spectrum of meta-materials for photovoltaic applications. By meta-material, we mean an assembly of nanometric size objects at mesoscopic distance. The underlying idea is that by adjusting the size of the nano-object and the geometric arrangement, one could tune the absorption edge. To calculate these quantities, I used state-of-the art formalism, namely ab-initio methods.The first step of the work has been dedicated to the calculation of the absorption of an isolated object (slab of silicon, graphene, hBN). In the framework of periodic codes, one uses a supercell with vacuum to isolate the object, and a method has been developed previously in the Theoretical spectroscopy group at LSI, to provide results independent of vacuum. It is called “Selectd-G” method, and was successfully applied to silicon surfaces. For an isolated slab, a modified expression of the reciprocal space Coulomb potential, called “slab potential”, must be used. To validate the use of the slab potential on the microscopic dielectric matrix, I have simulated Electron Energy Loss spectra for slabs of few graphene layers, and successfully reproduced available experimental data. This has also offered the possibility to study the plasmon dispersion of a single graphene layer, and discuss the nature of electronic excitations in the system (intraband transitions or 2D-plasmon).The second step has been dedicated to the study of the absorption spectrum of an array of interacting slabs. Since it has been evidenced that the supercell formalism acts as an effective medium theory with vacuum, with the spurious effect of having spectra dependent on the size of the supercell, I have reversed the procedure to extract the spectrum of the interacting slab, "cured" from the vacuum problem. First, the feasibility has been demonstrated on slabs of hBN, as their semi-conducting characteristics with a the large gap prevent numerical instabilities. Then, it has allowed us to understand the reason why the absorption of the interacting slab of silicon appears at lower energy than its bulk counterpart: it is due to the presence of surface states in the gap of the bulk band structure. Nevertheless, the difference with the isolated slab must be further investigated.The third part has been dedicated to the study of materials currently used or candidates for photovoltaic applications: InP and InSe. I have first studied the band structures of bulk InP and InSe. To correct for the underestimation of the band gap in the local density approximation (LDA), I have used GW corrections and the Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) exchange-correlation functional. The absorption spectrum for bulk InP has been calculated by means of the solution of the Bethe-Salpeter equation to correctly account for the excitonic effects. As expected, the experimental macroscopic function is well reproduced. Since the calculation is numerically demanding, I have also compared the results with the much lighter calculation using TDDFT where I used the long range kernel to mimic the excitonic effects. For bulk InSe, I have calculated the HSE corrections for the eigenvalues and obtained a good agreement with the experimental band gap. The spectrum obtained within TDDFT, with the long range kernel, gives satisfying results. We have started the calculations for slabs of these two materials. Thick slabs of InP and InSe have been considered and a 2x2 reconstruction have been performed for the InP slab to recover the semi-conducting surface. The LDA band structures and absorption spectra have been calculated. Then, such large systems being out of range of HSE corrections calculations, the study has been focused on much thiner slabs in the case of InSe.

Les métamatériaux sont des composites artificiels présentant des propriétés électromagnétiques qu’on ne trouve pas dans la nature. Malgré des développements spectaculaires durant la dernière décennie, le potentiel de ces structures aux longueurs d’ondes optique n’est pas encore clairement défini en raison de problèmes technologiques et de contraintes physiques telles que les pertes dans les métaux entrant dans la composition des métamatériaux. Dans notre thèse, nous montrons que les métamatériaux ont des propriétés très favorables dans le contexte de l’optique intégrée dans le proche infrarouge. Nous avons développé une stratégie pour incorporer des métamatériaux dans des circuits photoniques qui n’absorbent que très peu d’énergie. Pour cela, nous ne faisons pas directement agir l’ensemble du mode guidé avec les métamatériaux, mais seulement une composante évanescente à l’extérieur du guide. Pour réaliser un tel adaptateur ou d’autres fonctionnalités, il importe de déterminer quelle géométrie de métamatériaux est la plus favorable aux applications infrarouges. Nous proposons d’utiliser des structures à base de fils d’or empilés couche sur couche. A l’aide de simulations numériques et d’expériences en espace libre, nous montrons qu’il est possible d’obtenir toute une gamme de réponses optiques en contrôlant le couplage entre les différents niveaux de fils, c'est-à-dire en ajustant la distance entre les fils ainsi que leur alignement. En particulier, nous avons réussi à contrôler séparément la réponse électrique et magnétique de nos structures, ce qui offre une flexibilité de conception qui ne se rencontre pas dans les métamatériaux proposés jusqu’à présent. / Metamaterials are artificial composites with electromagnetic properties not found in nature. Although the development of metamaterials has experienced a tremendous growth over the past few years, their potential at optical wavelengths is not clearly established due to technological and physical constraints such as high material losses in this spectral range. Here we show that metamaterials have a great potential in the context of integrated optics in the near infrared. We developed a strategy to incorporate metamaterials in photonic circuits with minimal absorption losses. Our approach relies on making the guided modes interact with the metamaterials only through the evanescent tail outside the waveguide. To achieve such an adaptor and other functionalities, it is important to know what is the best geometry for near-infrared applications. We propose to use metamaterials based on multi-layers of Au cut wires. With numerical simulations and experiments, we show that it is possible to create a wide range of optical properties by controlling the interaction between the wires, i.e. by adjusting the distance between the wires and their alignment. In particular we were able to demonstrate

Ce travail concerne l’étude et la réalisation de dispositifs hyperfréquences coplanaires de type composite main droite/gauche (CRLH). Dans la première partie du mémoire, l’état de l’art des structures CRLH et leur aspect théorique sont présentés. La deuxième partie concerne la modélisation circuit et la conception de la cellule CRLH de base. Un modèle circuit a été développé à partir des modèles existants. Un résonateur d’ordre zéro (ZOR en anglais) à couplage capacitif a été fabriqué et les résultats expérimentaux nous ont permis de valider le modèle théorique. Une réduction de 80% de la taille du résonateur a été observée par rapport au résonateur demi-longueur d’onde à la même fréquence du travail. Une ligne de transmission à deux bandes de propagation a été réalisée par la mise en cascade de cinq cellules CRLH de base. La troisième partie est vouée à l’utilisation des couches magnétiques dans les structures CRLH pour réaliser des dispositifs hyperfréquences accordables. L’agilité en fréquence du ZOR a été confirmée expérimentalement. Nous avons aussi proposé un modèle théorique simple de la cellule CRLH réalisée sur un substrat de YIG. Les résultats expérimentaux de la ligne CRLH à ferrite et pour différentes valeurs du champ magnétique appliqué sont présentés et comparés au modèle théorique et aux simulations 3D / This work deals with the study and the fabrication of microwave devices based on the Coplanar Composite Right/Left Handed (CPW CRLH) structures. In the first part, we introduce the CRLH theory. In the second part, circuit modelization and the design of the CPW CRLH unit cell are presented. A coplanar zeroth-order resonator has been numerically studied, realized and verified experimentally. The resonator we have proposed allows a reduction of 80% of its size compared to the conventional half-wave length resonator at 6GHz. Based on the unit cell, a CRLH TL with five elementary cells has been realized. The third part is devoted to the use of magnetic layers in CRLH structures to realise tunable microwave devices. The frequency agility of the ZOR was experimentally confirmed. We also developed a theoretical model of the CRLH unit cell with a YIG substrate. The experimental results of the CRLH line with ferrite and for different values of applied magnetic field are presented and compared with the theoretical model and 3D simulations

Nous étudions la mise en oeuvre d ‘antenne à balayage électronique dédiés aux applications de communications par satellite géostationnaire. Les structures développées sont adaptées pour être embarquées dans un avion ou un train. L'architecture de l'antenne développée est constituée d’un double réseau linéaire dans deux dimmensions transverses. Le balayage dans chaque réseau linéaire est assuré par des lignes coplanaires à métamateriaux contrôlées par varactor. Nous porposons de nouvelles méthodes de caracterisation des discontinuités en ligne coplanaire pour la conception de la ligne. De plus, un système de prélèvement d'énergie a dû être conçu afin d'alimenter des éléments rayonnants et testé avec différentes antennes patch. Enfin, nous envisageons la co-intégration des structures rayonnantes et des lignes CRLH ainsi que le contrôle électronique par les diodes. / We are studying the implementation of 'Scanning Antenna dedicated to the applications of satellite communications geostationary. The structures developed are suitable for to be on board an airplane or a train. The architecture of the antenna developed consists of a double linear network in two transverse dimmensions. The scan in each network is provided by the lines coplanar to metamaterials controlled by varactor. We porposons of new methods characterization of discontinuities coplanar online for the line design. In addition, a energy harvesting system has be designed to feed radiating elements and tested with patch different antennas. Finally, we are considering co-integration radiating structures and CRLH lines as well as control electronic by the diodes.

Nous étudions, par ellipsométrie spectroscopique, les propriétés optiques dans le domaine de l'UV-Visible-Infrarouge de films composites constitués de polymère et de nanoparticules d'or. Nous étudions la relation entre ces mesures et la structure des nanocomposites, que nous étudions par microscopie à force atomique en particulier. Nous distinguons l’analyse de films épais (tri-dimensionnels) et minces (quasi-bidimensionnels). Dans les deux cas, nous confrontons les résultats expérimentaux à des modèles théoriques de milieux effectifs dérivés de Maxwell-Garnett, en particulier. / By spectroscopic ellipsometry, we study the optical properties in the range of UV-Visible-Infrared of composites films made of polymer and gold nanoparticles. We study the relation between these measurement and the structure of the nanocomposites, that we study by atomic force microscopy in particular. We distinguish the analysis of thicks films (tridimensionals) and thins (quasi-bidimensionals). In both of case, we confronte these experimentals results to the theoric models of effectives medium derivated for Maxwell-Garnett in particular.

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude théorique et numérique de métamatériaux pour la gamme submillimétrique (domaine térahertz), formés de sphères diélectriques présentant des résonances dipolaires de Mie électrique et magnétique, dispersées dans un milieu-hôte. Tout d'abord, les matériaux à utiliser ainsi que les tailles et fraction volumique des sphères permettant l'obtention d'effets de perméabilité ont été précisées. Ensuite, nous avons mené une étude de la polydispersité en taille, mettant en évidence qu'une polydispersité contrôlée pouvait engendrer un élargissement des zones de perméabilité négative ou une zone de perméabilité nulle. Enfin, nous avons étudié le comportement électromagnétique d'assemblages bidisperses de sphères par simulations numériques, et avons procédé à une analyse des modes de Bloch, semblant indiquer l'existence d'une bande d'indice négatif pour des fractions volumiques élevées. / This PhD work was dedicated to the theoretical and numerical study of metamaterials in the terahertz range made of dielectric spheres embedded in a host medium and exhibiting dipolar electric and magnetic Mie resonances. The materials as well as the sizes and the filling fractions of the spheres to use to achieve magnetism in this range of frequency were precised. As a second step, we interested in the size distribution effects on the effective permeability, and showed that a controlled polydispersity can generate a widening of the negative permeability zone with a magnitude close to zero. Finally, we studied the electromagnetic behaviour of bidisperse array of TiO2 spheres with numerical simulations, and a Bloch mode analysis seems to proove the existence of a negative index band for high filling fractions.

Les matériaux absorbants électromagnétiques, ou « Radar Absorbing Materials » (RAM), ont été créés à la fois aux USA et en Allemagne lors de la seconde guerre mondiale. Les applications des absorbants appartiennent principalement aux domaines de la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) et de la discrétion radar. Ces absorbants sont lourds et encombrants. Au travers de cette thèse, nous cherchons à développer une solution pour pallier à ces inconvénients grâce aux absorbants à métamatériaux. Les métamatériaux sont des composites artificiels présentant des propriétés électromagnétiques que l'on ne retrouve pas dans la nature. En utilisant ce type de matériaux, nous pouvons obtenir des absorbants ultras fins, et par l'optimisation et la conception couvrir des bandes larges en fréquence. Nous proposons donc plusieurs formes basiques d'absorbant à métamatériaux. De ces formes, nous présentons un modèle théorique et développons les techniques pour définir leur fréquence de fonctionnement et les paramètres nécessaires pour obtenir une absorption totale. Puis nous étudions plus en détail nos différents prototypes à travers des simulations et des mesures. Nous étudions aussi le couplage des absorbants à métamatériaux avec des absorbants traditionnels pour créer un type d'absorbant inédit. / Electromagnetic absorbing materials, or "Radar Absorbing Materials" (RAM), were created in the U.S. and Germany at the same time during the Second World War. Applications of absorbers are mainly in the field of ElectroMagnetic Compatibility (EMC) and radar stealth. These absorbers are heavy and bulky. In this thesis, we seek to develop a solution to overcome these drawbacks using metamaterial absorbers. Metamaterials are artificial composites with electromagnetic properties that are not found in nature. By using this type of material, we can obtain ultra-thin absorbers over a wide band of frequency by optimizing the design. We introduce several basic forms of metamaterial absorbers. From these geometries, we present a theoretical model and we develop techniques to define their operating frequency and parameters required to achieve total absorption. Then we study in detail our various prototypes with simulations and measurements. We also study the coupling of metamaterial absorbers with traditional ones to create a new type of absorber.

Cette thèse a pour but l’étude théorique de métamatériaux métalliques empilés. Ces structures sont actuellement proposées pour améliorer et élargir les fonctionnalités des métamatériaux métalliques. Nous portons un intérêt particulier aux propriétés de polarisation de ces structures métalliques empilées.En premier lieu, nous précisons le type de métamatériaux que nous étudions et nous présentons la méthode modale qui nous permet de décrire les propriétés électromagnétiques de la structure. A l’aide d’un Formalisme de Jones Etendu (FJE), développé récemment dans notre équipe, nous faisons ressortir les principales propriétés de polarisation linéaire de ces métamatériaux métallique.En alliant le FJE à l’algorithme de propagation de la matrice S, nous étudions un empilement de deux métamatériaux vus comme un montage polariseur-analyseur. Nous établissons ensuite une expression de la transmission de la structure: la loi de Malus étendue. Cela nous permet notamment de démontrer les résonances de type Fabry-Perot qui ont lieu entre les métamatériaux.Pour des structures plus conséquentes, nous montrons qu’il est possible de réaliser une rotation de la polarisation, à très faible perte et spectralement agile, grâce aux résonances de type Fabry-Perot.Fondamentalement, nous révélons une nouvelle façon d’exciter des résonances Fano qui sont induites par les propriétés de polarisation des métamatériaux. Ces résonances peuvent être utilisées pour des applications de capteur ou de filtrage. De plus, ces résonances Fano induites par la polarisation ouvrent de nouvelles possibilités d’applications pour les empilement de métamatériaux métalliques. / This PhD thesis deals with the theoretical study of stacked metallic metamaterials. Such structures are currently investigated to extend the functionalities offered by single metallic metamaterials. We especially focus on the specific polarization properties of the stacked metallic metamaterials.We first present the type of metamaterial that we consider, and we describe the modal method that is used to model its electromagnetic properties. We outline the linear polarization properties characterizing the metamaterial thanks to an Extended Jones Formalism (EJF) recently developed by our team.In combination with the EJF, we apply the S-matrix algorithm to the study of a stack of two metallic metamaterials in a polarizer-analyzer configuration. We derive an analytical expression for the transmission response of the stacked structure: the Extended Malus Law. Mainly, it highlights the Fabry-Perot-like resonances located between the metamaterials.Using larger stacked structures, we demonstrate that spectrally tunable and low loss polarization rotation can be achieved owing to these Fabry-Perot-like resonances.In essence, we reveal a new way of realizing Fano resonances which are induced by the specific polarization properties of the metamaterials. We show that such resonances can be engineered for sensing or filtering applications. Moreover, the polarization-induced Fano resonances expand the possibilities of stacked metallic metamaterials.