In this research work, we propose a novel energy harvester which converts solar electromagnetic radiation into DC energy at infrared regime. The proposed device consists of a dual polarized nanoantenna loaded with an anisotropic material at its gap. The dual polarized nanoantenna focuses the randomly polarized radiation into its gap resulting in high electric field. This high local electric field at the gap interacts with the anisotropic material. In our proposed design, the anisotropic material possesses nonlinear electrical conductivity and converts the dual polarizations at the gap into a DC voltage difference across the terminals of the nanoantenna. The novelty of our proposed design is in the rectification of the electromagnetic radiation without utilizing a diode. The theory of the energy harvester depends on the utilization of the dual polarized nanoantennas at high frequency regime. Therefore, we carry out a parametric study to investigate the resonance characteristic of the dual polarized nanoantenna. In addition, we investigate the effect of the geometrical parameters on the local field enhancement at the gap of the dual polarized nanoantenna. Also, another parametric study is carried out to determine the effect of the governing parameters of the anisotropic material on the generated DC voltage across the harvester. Our approach is illustrated through electromagnetic simulations. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Les antennes optiques sont des structures qui permettent de convertir, dans les deux sens, l'énergie électromagnétique entre un faisceau lumineux et une source (ou un absorbeur) localisée en son sein. L'utilisation de résonateurs de taille inférieure à la longueur d'onde permet de réaliser cette fonction de manière efficace, sur une bande spectrale relativement étendue, et d'avoir une antenne compacte.La bonne connaissance des propriétés optiques de ces résonateurs, pris séparément, et de leurs couplages entre eux, est nécessaire pour pouvoir proposer des designs d'antenne efficaces.Dans cette thèse, en se basant sur la décomposition multipolaire des champs et sur la méthode de la matrice-T, on obtient des solutions analytiques rigoureuses pour des résonateurs sphériques et homogènes, dont on tire des modèles simplifiés, intuitifs, et proches de la solution exacte des équations de Maxwell.Entre autre résultats, ces modèles nous ont permis de proposer un design d'antenne optique compacte, directive, à taux de désexcitation et rendement quantique élevés en utilisant une structure hybride métal-diélectrique. Des collaborations avec des expérimentateurs ont permis de valider, d'une part les caractéristiques de chromophores auto-assemblés par ADN (S. Bidault à Paris), et d'autre part, la possibilité d'utiliser plusieurs résonances électriques et magnétiques combinées (supportées par des sphères diélectriques d'indice modéré, n=2,45) pour réfléchir ou bien collecter le rayonnement d'un émetteur dipôle électrique placé à proximité (expérience menée dans le régime micro-ondes par R. Abdeddaim et J-M. Geffrin). / Optical antennas are structures able to convert, in both ways, electromagnetic energy between a light beam and a source (or absorber) placed in the structure. The use of sub-wavelength resonators enables one to realize this function in an efficient way, on relatively broad bandwidths, and to have a compact design. A good understanding of the optical properties of such resonators, taken individually, and of their couplings, is thus necessary in order to propose efficient optical antenna designs. In this manuscript, using a multipole decomposition of the fields and a T-matrix method, we obtain rigorous analytical solutions for spherical, homogeneous resonators, from which we deduce simplified, intuitive models that are still very close to the exact resolution of the Maxwell equations.Among other results, those models enabled us to propose a nanoantenna design that is at once compact, radiative and efficient, by using a hybrid metallo-dielectric structure. Some collaborations with experimental groups enabled us to validate, on the one hand, the optical characteristics of hybrid chromophores that are self-assembled using a DNA template (S. Bidault, Paris), and on the other hand, the possibility of using multiple combined electric and magnetic resonances (supported by dielectric spheres of moderate refractive index, n=2.45) in order to reflect, or more importantly collect, radiation coming from an electric dipole emitter placed nearby (the experiment was realized in the microwave regime by R. Abdeddaim and J-M. Geffrin).

La fotónica sobre silicio se ha convertido en la tecnología más importante en la producción de chips integrados fotónicos. Sus grandes ventajas, entre las cuales destacan su idoneidad para la fabricación a gran escala y su bajo coste de producción, como resultado de la posibilidad del uso tecnología CMOS, son motivo suficiente para justificar su supremacía sobre otras plataformas de integración. Pese a los múltiples dispositivos ya implementados en dicha tecnología, entre los que cabe destacar filtros WDM o moduladores electro-ópticos, todavía hay espacio para la mejora, sobre todo en cuanto a la reducción del foot-print de los dispositivos o a la creación de nuevas funcionalidades para la manipulación de la luz. Dichas mejoras podrían llevarse a cabo mediante la integración de componentes con dimensiones sub-lambda surgidos en el campo conocido como plasmónica. Esta disciplina estudia la interacción entre la luz y los metales, que viene mediada por la existencia de ondas conocidas como plasmones de superficie. Una de las propiedades clave de los plasmones es su capacidad para confinar la luz muy por encima del límite de difracción, lo cual es limitante en el caso de la fotónica sobre silicio. Sin embargo, las pérdidas por absorción de los metales a frecuencias ópticas impiden su uso para el guiado de la luz en grandes distancias. Se hace evidente, por tanto, los beneficios de unificar estos dos mundos. Usando el silicio como material conductor de la señal óptica y el metal como eficiente interactor con la luz en estructuras sub-lambda, se pueden crear nuevos dispositivos para la manipulación de las propiedades de la luz en la nanoescala. Esta Tesis está centrada en la integración de estructuras con dimensiones sub-lambda en guías de silicio y en su aplicación a nuevas funcionalidades de manipulación de la luz en chips de silicio. Dichas nanoestructuras sirven de transductores entre la luz guiada y la radiación en espacio libre, por lo que también pueden ser denominadas nanoantenas. Para empezar, se describen las propiedades de los modos guiados en guías de onda de silicio para la correcta excitación de las nanoantenas, seguido de la demostración de técnicas de integración de estas nanoestructuras en las propias guías para aumentar su eficiencia de interacción con la luz guiada. Además, se demuestra el control coherente de la absorción y el scattering de una nanoantenna metálica integrada en una guía de silicio. Por último, a partir del posicionamiento asimétrico de la nanoestructura con respecto a la guía, se proponen y demuestran nuevos métodos de manipulación de la polarización, como la capacidad para sintetizar estados de polarización deseados a escala nanométrica. Esto desembocará en la demostración teórica y experimental de un nanopolarímetro de Stokes, basado en tecnología fotónica sobre silicio, capaz de determinar el estado de polarización de manera local, óptima, y no destructiva, habilitándose su uso para medidas de polarización en tiempo real en circuitos integrados. / Silicon photonics has become the most important technology in integrated photonic chips production. Its great advantages, including its suitability for large-scale production and low-cost production, as a result of the possibility of using CMOS technology, are sufficient reason to justify its supremacy over other integration platforms. Despite the multiple devices already implemented in this technology, among which include WDM filters or electro-optical modulators, there is still room for improvement, especially in terms of reducing the devices footprint or the creation of new functionalities for the manipulation of light. Such improvements could be carried out by integrating components with sub-lambda dimensions arising in the field known as plasmonics. This discipline studies the interaction between light and metals, which is mediated by the existence of waves known as surface plasmons. One of the key properties of plasmons is their ability to confine light well beyond the diffraction limit, which is limiting in the case of silicon photonics. However, losses due to the absorption of metals at optical frequencies prevent their use for guiding light over long distances. Therefore, the benefits of unifying these two worlds becomes evident. By using silicon as the conductive material of the optical signal and the metal as an efficient light interconnector in subwavelength structures, new devices can be created for the manipulation of the properties of light at the nanoscale. This thesis is focused on the integration of structures with subwavelength dimensions in silicon waveguides and in their application to new functionalities of light manipulation in silicon chips. These nanostructures serve as transducers between guided light and free space radiation, so they can also be termed nanoantennas. To begin with, the guided modes properties in silicon waveguides are described for the correct excitation of the nanoantennas, followed by the demonstration of integration techniques of these nanostructures in these waveguides to increase their interaction efficiency with the guided light. In addition, the coherent control of the absorption and scattering of a metallic nanoantenna integrated in a silicon waveguide is demonstrated. Finally, from the asymmetric positioning of the nanostructure with respect to the waveguide, new polarization manipulation methods are proposed and demonstrated, such as the ability to synthesize desired states of polarization at the nanoscale. This will lead to the theoretical and experimental demonstration of a Stokes nanopolarimeter, based on photon-on-silicon technology, capable of determining the polarization state locally, optimally, and non-destructively, enabling its use for real-time polarization measurements in integrated circuits. / La fotònica sobre silici s'ha convertit en la tecnologia més important en la producció de xips integrats fotònics. Els seus grans avantatges, entre les quals destaquen la seva idoneïtat per a la fabricació a gran escala i el seu baix cost de producció, com a resultat de la possibilitat de l'ús tecnologia CMOS, són motiu suficient per justificar la seva supremacia sobre altres plataformes d'integració. Malgrat els múltiples dispositius ja implementats en aquesta tecnologia, entre els quals cal destacar filtres WDM o moduladors electro-òptics, encara hi ha espai per a la millora, sobretot quant a la reducció del foot-print dels dispositius o a la creació de noves funcionalitats per a la manipulació de la llum. Aquestes millores podrien portar-se a terme mitjançant la integració de components amb dimensions sub-lambda sorgits en el camp conegut com plasmònica. Aquesta disciplina estudia la interacció entre la llum i els metalls, que ve intervinguda per l'existència d'ones conegudes com plasmons de superfície. Una de les propietats clau dels plasmons és la seva capacitat per confinar la llum molt per sobre del límit de difracció, la qual cosa és limitant en el cas de la fotònica sobre silici. No obstant això, les pèrdues per absorció dels metalls a freqüències òptiques impedeixen el seu ús per al guiat de la llum en grans distàncies. Es fa evident, per tant, els beneficis d'unificar aquests dos mons. Usant el silici com a material conductor del senyal òptic i el metall com eficient interactor amb la llum en estructures sub-lambda, es poden crear nous dispositius per a la manipulació de les propietats de la llum en la nanoescala. Aquesta Tesi està centrada en la integració d'estructures amb dimensions sub-lambda en guies de silici i en la seva aplicació a noves funcionalitats de manipulació de la llum en xips de silici. Aquestes nanoestructures serveixen de transductors entre la llum guiada i la radiació en espai lliure, de manera que també poden ser denominades nanoantenes. Per començar, es descriuen les propietats de les maneres guiats en guies d'ona de silici per a la correcta excitació de les nanoantenes, seguit de la demostració de tècniques d'integració d'aquestes nanoestructures en les pròpies guies per augmentar la seva eficiència d'interacció amb la llum guiada. A més, es demostra el control coherent de l'absorció i el scattering d'una nanoantenna metàl·lica integrada en una guia de silici. Finalment, a partir del posicionament asimètric de la nanoestructura respecte a la guia, es proposen i demostren nous mètodes de manipulació de la polarització, com la capacitat per sintetitzar estats de polarització desitjats a escala nanomètrica. Això desembocarà en la demostració teòrica i experimental d'un nanopolarímetre de Stokes, basat en tecnologia fotònica sobre silici, capaç de determinar l'estat de polarització de manera local, òptima, i no destructiva, habilitant el seu ús per a mesures de polarització en temps real en circuits integrats. / Espinosa Soria, A. (2018). Design and implementation of nanoantennas on integrated guides and their application on polarization analysis and synthesis [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/105382 / TESIS

La spectroscopie de fluorescence de molécule individuelle a révolutionné le domaine des sciences biophysiques, en permettant la visualisation des interactions moléculaires dynamiques et des caractéristiques nanoscopiques avec une haute résolution spatio-temporelle. Le contrôle des réactions enzymatiques et l'étude de la dynamique de diffusion de molécules individuelles permet de comprendre l'influence et le contrôle de ces entités nanoscopiques sur plusieurs processus biophysiques. La nanophotonique basée sur la plasmonique offre des nouvelles opportunités de suivi d'évènements à molécule unique, puisque il est possible de confiner des champs électromagnétiques dans les hotspots à nano-échelle, à dimensions spatiales comparables à une molécule unique. Dans ce projet de thèse, nous explorons plusieurs plateformes de nanoantennas photoniques avec des hotspots, et nous avons démontré les applications dans l'amélioration de la spectroscopie de fluorescence de molécule individuelle. En utilisant la fluorescence burst analysis, l'analyse de fluctuations temporelle de fluorescence,TCSPC, nous quantifions les facteurs d'amélioration de fluorescence, les volumes de détection de nanoantennas; ainsi, nous discutons l'accélération de fluorescence photo dynamique. En alternative aux structures plasmoniques, des antennes diélectriques basées sur les dimères en silicone ont aussi démontré d'améliorer la détection de fluorescence à molécule unique, pour des concentrations micro molaires physiologiquement pertinentes. En outre, nous explorons des systèmes planaires antennas in box pour l'investigation de la dynamique de diffusion de la PE et de la SM dans les membranes des cellules vivantes. / Single-molecule fluorescence spectroscopy has revolutionized the field of biophysical sciences by enabling visualization of dynamic molecular interactions and nanoscopic features with high spatiotemporal resolution. Monitoring enzymatic reactions and studying diffusion dynamics of individual molecules help us understand how these nanoscopic entities influence and control various biochemical processes. Nanophotonic antennas can efficiently localize electromagnetic radiation into nanoscale spatial dimensions comparable to single bio-molecules. These confined illumination hotspots there by offer the opportunity to follow single-molecule events at physiological expression levels. In this thesis, we explore various photonic nanoantenna platforms and demonstrate their application in enhanced single-molecule fluorescence detection. Using fluorescence burst analysis, fluorescence correlation spectroscopy (FCS), time-correlated TCSPC measurements, and near field simulations, we quantify nanoantenna detection volumes, fluorescence enhancement factors and discuss the fluorescence photodynamic accelerations mediated by optical antennas. Further, using resonant planar antenna-in-box devices we investigate the diffusion dynamics of phosphoethanolamine and sphingomyelin on the plasma membrane of living cells and discuss the results in the context of lipid rafts. Together with cholesterol depletion experiments, we provide evidence of cholesterol-induced nanodomain partitioning within less than 10~nm diameters and characteristic times being ~100 microseconds.

Additive manufacturing using 2 photon polymerization is of great interest as it can create nanostructures with feature sizes much below the diffraction limit. It can be called as true 3D printing as it can fabricate in 3 dimensions by moving the laser spot in any 3D pattern inside the resist. This unique property is attributed to the non-linearity of two photon absorption which makes the polymerization happen only at the focal spot of the laser beam. This method has a wide range of applications such as optics/photonics, metamaterials, metasurfaces, micromachines, microfluidics, tissue engineering and drug delivery.<br>This work focuses on utilizing 2 photon fabrication for creating a metasurface by printing diabolo antenna arrays on a glass substrate and subsequently metallizing it by coating with gold. A femtosecond laser is used along with a galvo-mirror to scan the geometry inside the photoresist to create the antenna. The structure is simulated using ANSYS HFSS to study its properties and optimize the parameters. The calculations show a reflectance dip and zero reflectance for the resonance condition of 4.04 μm. An array of antennas is fabricated using the optimized properties and coated with gold using e-beam evaporation. This array is studied using a fourier transform infrared spectrometer and polarization dependent reflectance dip to 40% is observed at 6.6 μm. The difference might be due to the small errors in fabrication. This method of 3D printing of antenna arrays and metallization by a single step of e-beam evaporation is hence proved as a viable method for creating optical metasurfaces. Areas of future research for perfecting this method include incorporating an autofocusing system, printing more complicated geometries for antennas, and achieving higher resolution using techniques like stimulated emission depletion.

Le transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) permet de mesurer des distances nanométriques grâce à la dépendance critique de l'efficacité du transfert avec la séparation entre un donneur et un accepteur d'énergie. Le phénomène se produit quand le fluorophore donneur dans l'état excité transfère son énergie d'excitation à un accepteur à proximité de façon non-radiative avec une interaction dipôle-dipôle de champ proche. Les structures nanophotoniques sont capables de contrôler cette interaction grâce à la modification de la densité local d'états électromagnétiques (LDOS) d'un émetteur quantique. Nous avons démontré clairement l'exaltation du transfert d'énergie des paires FRET individuelles sous l'influence des nano-ouvertures percées en or et en aluminium et aussi à l'aide des designs plus complexes comme la `` antenna-in-box ". Notamment, nous avons dévoilé l'importance essentielle de l'orientation relative entre les dipôles sur les possibilités d'exaltation du transfert d'énergie par le biais des nanostructures. Également, nous avons utilisé des nanofils en argent pour démontrer un transfert d'énergie de long-distance entre deux nanoparticles séparées de plus d'un micromètre. Nos résultats éclairent le chemin de l'exploration du FRET, qui est largement utilisé dans les sciences du vivant et la biotechnologie. Les nanostructures optiques ouvrent de plus des perspectives d'applications innovantes pour la construction de biocapteurs, de sources de lumière ou dans l'industrie photovoltaïque. / The technique of Förster resonance energy transfer (FRET) determines the separation between two molecules at the nanometer scale, where molecular interactions can take place. The phenomenon requires a donor fluorophore transferring its energy in a non-radiative way, through a near-field dipole-dipole interaction, to an acceptor. Nanophotonics achieves accurate control over these interactions by modifying the local density of optical states (LDOS) of a single quantum emitter. We have clearly demonstrated enhanced energy transfer within single FRET pairs confined in single nanoapertures made of gold and also aluminum or in more complex structures like the antenna-in-box design. In particular, we have revealed the strong influence of the mutual dipole orientation on the FRET enhancement using nanostructures. Also, by means of silver nanowires, we have demonstrated a long-range plasmon-mediated fluorescence energy transfer between two nanoparticles separated by micrometer distance. Our results are clearing a new path to improve the energy transfer process widely used in life sciences and biotechnology. Optical nanostructures open up many potential applications for biosensors, light sources or photovoltaics.

Esta tesis describe el diseño, la fabricación y la caracterización óptica de sistemas plasmónicos resonantes capaces de confinar y aumentar campos de luz en la escala manométrica. En primer lugar, se utilizaron modelos numéricos 3D para diseñar diferentes geometras de nanoestructuras plasmónicas acopladas, a través del cálculo de la respuesta óptica de su campo lejano y cercano. Sobre la base de estas simulaciones se fabricaron las nanoestructuras por litografía de haz electrónico. Se puso especial énfasis en el aumento de la resolución y la optimización de la reproducibilidad de parámetros críticos como la forma de las partículas y el gap entre ellas. Por último, se empleó espectroscopía de campo lejano combinada con espectroscopía de luminiscencia inducida por dos fotones (TPL) para sondar la respuesta óptica local de las geometrías optimizadas. Hemos centrado nuestra atención en diferentes tipos de estructuras metálicas: dímeros, antenas con gap, conjuntos finitos de partículas en cadenas y en forma de estrella. Los dímeros tienen una fuerte amplificación del campo en su gap nanométrico por el acoplamiento en campo cercano de sus resonancias plasmonicas dipolares. Análogamente, antenas con gap, formadas por dos barras de oro adyacentes que soportan resonancias multipolares, pueden acoplar de manera eficiente la luz y concentrarla en volúmenes pequeños. Se ha demostrado que cadenas finitas de partículas son buenos candidatos para guiar la luz a través de secciones transversales por debajo de la longitud de onda y aquí demostramos que también se pueden utilizar como nanolentes capaces de concentrar la luz en su extremo. La distribución del campo cercano en conjuntos de partículas de oro en forma de estrella presenta una fuerte dependencia con la polarización del campo incidente que puede ser explotada para dirigirse dinámicamente a nano-objetos. La espectroscopía de campo lejano de conjuntos de dímeros y de cadenas finitas de partculas se comparó con la espectroscopía de TPL. Nuestro principal resultado es mostrar que la TPL es preferentemente sensible a los campos locales, permitiendo evaluar características espectrosc ópicas que no podrían resolverse de otro modo. A fin de superar las limitaciones de las medidas de conjuntos, en una segunda etapa se dedicó un considerable esfuerzo a construir y optimizar un montaje óptico para medir la señal de TPL de estructuras únicas. El uso de la micro-espectroscopía de TPL permitió obtener mapas espectrales de los modos de antenas aisladas con resolución espacial. Como se predijo mediante cálculos, hemos sido capaces de visualizar directamente, en la resonancia, la señal de TPL amplificada dentro del gap. Nuestros resultados muestran cómo las medidas de TPL pueden compararse directamente con la distribución de la cuarta potencia del campo local calculado. Mediante el análisis de la evolución de la señal de TPL en función de la longitud de onda incidente en el gap y en las extremidades de la antena tenemos más conocimiento sobre el mecanismo físico detrás de la resonancia de la antena. Finalmente, la microscopía de TPL se utilizó para sondar el campo cercano para diferentes orientaciones de la polarización lineal incidente sobre los conjuntos de partículas en forma de estrella. Se demuestra que, a diferencia del espectro de dispersión, la distribución de TPL en la estructura depende drásticamente del estado de polarización incidente. Nuestro estudio aporta una contribución significativa al campo de la óptica de plasmones, proponiendo nuevas geometrías para confinar de manera eficiente los campos ópticos a la escala nanometrica, aportando un profundo conocimiento sobre el uso de micro-espectroscopa de TPL como sonda óptica local. Nuestros resultados tendrán importancia en aplicaciones tales como espectroscopía mejorada, biosensores y la interacción luz-materia, donde se necesita evaluar el campo experimentado por una pequeña cantidad de materia cercana a la nanoestructura. / This thesis describes the design, fabrication and the optical characterization of plasmon-resonant systems able to confine and enhance light fields down to the sub-wavelength scale. Extensive 3D numerical modeling was first used to design different geometries of coupled plasmonic nanostructures through the calculation of their far-field and near-field optical response. On the basis of simulations, the nanostructures were fabricated by e-beam lithography and thin film deposition. Special efforts were devoted to increasing the resolution and optimizing the reproducibility of critical parameters such as particle shape and interparticle gaps. Finally, far-field spectroscopy combined with two-photon induced luminescence (TPL) spectroscopy was used to probe the local optical response of the optimized architectures. We focused our attention on different families of structures: metal dimers, bar antennas, finite chains of nanoparticles and star-like particle arrangements. Particle dimers feature strong field enhancements in their sub-wavelength gap due to near-field coupling of their dipolar localized plasmon resonances. Based on the same physics, gap antennas, formed by two adjacent gold bars supporting multipolar resonances can efficiently couple to propagating light and concentrate it into tiny volumes. While finite particle chains were previously shown by other authors to be good candidates to guide light through subwavelength cross-sections, we show here that they can also be used as efficient nanolenses able to concentrate light at their extremity. Finally, the near-field distribution in star-like arrangements of gold nanoparticles exhibits a strong dependence with the incident field polarization which can be exploited for dynamical optical addressing of nano-objects. We have compared the far field spectroscopy of large ensembles of dimers and finite chains to TPL spectroscopy. Our main result is to show that TPL is preferentially sensitive to local fields and that it enables the assessment of spectroscopic features which cannot be resolved otherwise. In order to overcome the limitations of measurements on large ensembles a considerable effort was dedicated to mounting and optimizing an optical set-up enabling TPL measurement of single structures. Using the developed TPL micro-spectroscopy, spatially resolved spectral mode mapping on single resonant gap-antennas was achieved. As predicted by calculations, we were able to directly visualize at resonance the strongly enhanced TPL signal within the gap. Our results show how TPL scans can be directly compared with the convoluted distribution of the fourth power of the calculated local mode field. By monitoring the evolution with the incident wavelength of the TPL signal within the gap and at the antenna extremities we got further insight in the physical mechanism behind the buildup of the antenna’s resonance. Finally, TPL microscopy was used to probe the local fields under different orientations of the incident linear polarization near star-like arrangement of gold disks. It is shown that, unlike the scattering spectrum, the TPL distribution over the structure is found to depend drastically on the incident polarization state. Our study brings a significant contribution to the field of Plasmon optics by proposing novel geometries able to efficiently confine optical fields down to the nanometric scale, but also by providing deep insight into the use of TPL microspectroscopy to probe their local optical response. Our findings are foreseen to be important in applications such as enhanced spectroscopy, bio-sensing and enhanced light-matter interaction, where one needs to assess the actual field experienced by small amounts of matter.

Cette thèse est consacrée au développement de modèles semi-analytiques précis pour le calcul numérique de dispositifs nanophotoniques résonants. Il s'agit en particulier de membranes à cristaux photoniques, qui supportent des résonances avec des très grands facteurs de qualité, et d’ensembles composés de plusieurs nano-antennes plasmoniques, qui présentent des résonances avec des faibles facteurs de qualité. La thèse est divisée en deux parties.La première partie présente un modèle semi-analytique pour le calcul des modes supportés par des membranes à cristaux photoniques. Les modes à fuite (leaky modes) supportés par ces membranes structurées sont modélisés comme une résonance Fabry-Perot transverse composée de quelques ondes de Bloch propagatives qui vont et viennent verticalement à l'intérieur de la structure. Ce modèle est appliqué à l'étude des états liés dans le continuum (bound states in the continuum, ou BIC). Nous montrons que le modèle Fabry-Perot multimode est parfaitement adapté pour prédire l'existence des BICs ainsi que leur position dans l'espace des paramètres. Grâce à la semi-analyticité du modèle, nous étudions la dynamique des BICs avec l'épaisseur de la membrane pour des structures symétriques et asymétriques. Dans ce dernier cas, nous étudions des objets présentant soit une symétrie horizontale brisée, soit une symétrie verticale brisée (ajout d'un substrat). Le modèle Fabry-Perot nous permet d’obtenir des informations importantes sur la nature et le comportement des BICs. Nous démontrons que lorsque la symétrie miroir horizontale est brisée, les BICs dus à la symétrie du système, qui existent dans les structures symétriques au point Gamma du diagramme de dispersion, restent des BICs malgré l’absence de symétrie mais changent de nature. Ils deviennent des BICs dus à des interférences destructives entre les ondes de Bloch. La deuxième partie est consacrée au développement d'une théorie modale originale pour modéliser la diffusion de la lumière par des structures complexes composées d'un ensemble de plusieurs nano-antennes. L'objectif est de pouvoir modéliser la diffusion de la lumière par des métasurfaces à partir de la seule connaissance des modes de leurs constituants individuels. Pour ce faire, nous combinons un formalisme modal basé sur l’utilisation des modes quasi-normaux (QNM) avec la théorie multipolaire de la diffusion multiple basée sur le calcul de la matrice de transition (matrice T) d'un diffuseur unique. La matrice T fournit la relation entre le champ incident et le champ diffusé dans la base des harmoniques sphériques vectorielles. Elle contient toutes les propriétés de diffusion intrinsèques à l'objet. Le calcul de cette matrice représente une charge numérique lourde car elle nécessite de nombreux calculs rigoureux du champ diffusé. L'utilisation d'une décomposition modale avec des QNMs nous permet d’une part de rendre une partie du calcul analytique et d’autre part d'apporter une meilleure compréhension physique. Nous dérivons une décomposition modale de la matrice T et testons sa précision sur le cas de référence d'une nanosphère métallique.Enfin, la décomposition modale de la matrice T est appliquée à des cas pratiques d'intérêt en nanophotonique. A partir de la seule connaissance de quelques modes d'un nanocylindre plasmonique unique, nous calculons analytiquement la diffusion multiple de la lumière par un dimère et par une antenne Yagi-Uda composés de ces nanocylindres. Nous appliquons également l’approche modale à un réseau périodique bidimensionnel de nanocylindres . La comparaison avec les résultats d'une méthode numérique rigoureuse démontre un bon accord avec le calcul modal. Par rapport à des calculs entièrement rigoureux, la décomposition modale de la matrice T permet une réduction significative du temps de calcul. Comme les calculs sont analytiques une fois que les modes ont été calculés, l'approche modale est extrêmement utile pour les problèmes d'optimisation. / The presented thesis is dedicated to the development of semi-analytical accurate models for the numerical calculation of resonant nanophotonic devices. In particular, it concerns photonic crystal slabs, which can support resonances with high quality factors, and ensembles composed of several plasmonic nanoantennas, which exhibit resonances with low quality factors. The structure of the thesis is two-fold. In the first part, a semi-analytical model for the calculation of the modes supported by photonic crystal slabs (their dispersion and quality factors) is presented. Leaky modes supported by photonic crystal slabs are modeled as a transverse Fabry-Perot resonance composed of a few propagative Bloch waves bouncing back and forth vertically inside the slab. This model is applied to the study of bound states in the continuum (BICs). We show that the multimode Fabry-Perot model is perfectly suitable to predict the existence of BICs as well as their precise positions in the parameter space. We show that, regardless of the slab thickness, BICs cannot exist below a cut-off frequency, which is related to the existence of the second-order Bloch wave in the photonic crystal. Thanks to the semi-analyticity of the model, we investigate the dynamics of BICs with the slab thickness in symmetric and asymmetric photonic crystal slab. In the latter case, we investigate structures with either a broken horizontal symmetry or a broken vertical symmetry (addition of a substrate). As a result, we obtain some important insights into the nature and behavior of BICs. We evidence that, as the horizontal mirror symmetry is broken, the symmetry-protected BICs that exist in symmetric structures at the Gamma-point of the dispersion diagram are still BICs despite the absence of symmetry but change their nature. They become resonance-trapped BICs, but only for specific values of the slab thickness.The second part of the thesis is dedicated to the development of an original modal theory to model light scattering by complex structures composed of a small ensemble of plasmonic nanoantennas. The objective is to be able to model light scattering by metasurfaces from the sole knowledge of the eigenmodes of their individual constituents. For that purpose, we combine a quasi-normal mode (QNM) formalism with the multipole multiple-scattering theory based on the calculation of the so-called transition matrix (T-matrix) of a single scatterer. The T-matrix provides the relation between the incident and scattered fields in the vectorial spherical harmonics basis. It captures all the intrinsic scattering properties of the object that are due to its shape and refractive index distribution. Computation of the T-matrix is a heavy numerical burden since it requires numerous rigorous calculations of the scattered field— one for each harmonic in the basis. Using a modal expansion of the scattered field with QNMs allows us to bring both analyticity and physical understanding into the calculation. We derive a modal expansion of the T-matrix and test its accuracy on the reference case of a metallic nanosphere.Finally, we apply the modal expansion of the T-matrix to practical cases of interest in nanophotonics. From the sole knowledge of a few modes of a single plasmonic nanorod, we calculate analytically multiple light scattering by a dimer and a Yagi-Uda antenna composed of these nanorods. We apply also the modal approach to a periodic two-dimensional array of nanorods. Comparison with the results of a rigorous Maxwell’s equations solver demonstrates a good agreement with the QNM-based calculation. Compared to fully rigorous calculations, the QNM expansion of the T-matrix allows for a significant reduction of the computation time. Since the calculations are analytical once the modes have been calculated, the QNM approach is extremely useful for optimization problems.

Dans le moyen infrarouge, il n’existe pas à l’heure actuelle de source bon marché, compacte et modulable rapidement en amplitude. L’émission thermique est souvent écartée à cause des propriétés du rayonnement de corps noir : il est large spectralement, isotrope, non polarisé et la fréquence de modulation en intensité est limitée à quelques hertz par l’inertie thermique des émetteurs.Cependant, aucune limite fondamentale n’impose ces inconvénients. L’objectif de cette thèse est de concevoir, fabriquer et caractériser des sources infrarouges incandescentes, de spectre et polarisation contrôlés, modulables au-delà du mégahertz. Les dispositifs que nous présentons reposent sur la modulation rapide de la température d’un émetteur de faible épaisseur, posé sur un substrat qui demeure froid : en effet, la conduction permet de le refroidir en un temps qui dépend quadratiquement de l’épaisseur.Dans un premier temps, nous présentons une source émettant en bande II (3 – 5 microns) fondée sur le principe de l’écran de Salisbury ; sa réponse en fréquence est caractérisée jusqu’à la dizaine de mégahertz.Puis nous modifions cette structure pour utiliser un réseau métallique sub-longueur d’onde et faisons ainsi la démonstration d’une source en bande II modulable et polarisée linéairement.Enfin, nous proposons plusieurs dispositifs pouvant rayonner avec une polarisation circulaire ainsi qu’une source en bande III (8 – 12 microns) constituée d’une métasurface de nano-émetteurs chauds couplés à des nano-antennes froides. / Currently, there is no available source in the mid-infrared range which can be cheap, compact, and whose intensity can be modulated at high frequency. For this purpose, thermal radiation is often considered irrelevant because of the blackbody properties: it is intrinsically broadband, isotropic, unpolarized and the intensity modulation rate is usually limited to a few hertz by thermal inertia.However, there is no fundamental limit that imposes these properties. The goal of this thesis is to design, fabricate and experimentally characterize infrared incandescent sources with a controlled spectrum and polarization and with an intensity that can be modulated faster than 10 megahertz. We present devices which rely on fast temperature modulation of a thin emitter placed on a cold substrate. Indeed, thanks to heat conduction, this emitter can cool down within a characteristic time which varies as the square of its thickness.Firstly, we show a device emitting in MWIR (mid-wave infrared, 3 – 5 microns) based on the Salisbury screen’s principle. We characterize its frequency response up to 10 MHz.Then, we modify this structure and use instead a sub-wavelength metallic grating, thus demonstrating a MWIR source linearly polarized with the same modulation properties.Finally, we propose several devices which can emit circularly polarized infrared radiation and a source operating in LWIR (long-wave infrared, 8 – 12 microns) consisting in a metasurface of hot nano-emitters coupled to cold nano-antennas.

El control dinámico y determinístico de la luz en una escala espacial por debajo de la longitud de onda es un requisito clave para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la macro-óptica hasta la escala nanométrica. Un mayor nivel de control también tendrá implicaciones importantes en nuestra comprensión de los fenómenos ópticos en la nanoescala. Uno de los principales problemas en nano-óptica tiene como objetivo describir cómo y con qué precisión es posible controlar la distribución espacial de la luz de forma dinámica en la nanoescala. Desafortunadamente, un límite fundamental de la física – el límite de difracción de la luz – afecta nuestra capacidad de seleccionar ópticamente puntos separados por menos de media longitud de onda de la luz. El campo de la plasmónica ofrece una oportunidad única para cerrar la brecha entre el límite de difracción y la escala nanométrica. Nanoantenas metálicas pueden acoplarse eficientemente a luz propagante y focalizarla en volúmenes nanométricos, y viceversa. Además, estas nanoantenas prometen mejorar significativamente la eficiencia de procesos como le fotodetección, la emisión de luz, sensores, transferencia de calor, y espectroscopía a la escala nanométrica. Aprender a controlar de forma precisa la respuesta óptica de estas nanoantenas representa un enfoque muy prometedor para controlar la distribución espacial y temporal de la luz a la escala nanométrica. Tradicionalmente, se han desarrollado dos principales estrategias para el control de la respuesta óptica de nanoantenas plasmónicas: la primer estrategia (estrategia estática) tiene como objetivo la optimización del diseño geométrico de las nanoantenas acorde a su aplicación, mientras que la segunda estrategia (estrategia dinámica) tiene como objetivo la modulación reversible del campo cercano de una nanoestructura dada a través de la manipulación de la luz de excitación en el tiempo y el espacio. El trabajo presentado en esta Tesis extiende el estado del arte de estas dos estrategias, y desarrolla nuevas herramientas, tanto experimentales como teóricas, para ampliar el nivel de control que tenemos sobre la distribución espacial de la luz debajo del límite de difracción. Después de presentar una visión general de los principios básicos de nano-óptica y de la óptica de lo plasmones de superficie, el Capítulo 1 repasa los avances en el control de la respuesta óptica de nanoestructuras metálicas – sea por una estrategia estática o dinámica – en el momento en que se inició este trabajo de investigación. La modificación de la geometría y las dimensiones de las nanpartículas metálicas sigue siendo un ingrediente fundamental para controlar las resonancias plasmónicas y los campos de luz a la escala nanométrica. Como ejemplos novedosos de control estático, por lo tanto, los Capítulos 2 y 3 estudian nuevos diseños de estructuras plasmónicas con capacidades sin precedentes de modelar campos de luz a la escala nanométrica, en particular un diseño fractal y una nanoantena unidireccional tipo Yagi-Uda. Los Capítuols 4 y 5 describen una nueva herramienta teórica y experimental para el control dinámico y determinístico de la respuesta óptica de nanoantenas basada en la modulación espacial de la fase de la luz de excitación: el campo óptico cercano, que resulta de la interacción entre la luz y las nanoestructuras plasmónicas, es normalmente determinado por la geometría del sistema metálico y las propiedades de la luz incidente, como su longitud de onda y su polarización; sin embargo, el control exacto y dinámico del campo óptico cercano debajo de límite de difracción de la luz – independientemente de la geometría de la nanoestructura – es también un ingrediente importante para el desarrollo de futuros dispositivos nano-ópticos y para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la óptica macroscópica a la escala nanométrica. Finalmente, la Conclusión resume los resultados de este trabajo y ofrece una visión general de algunos estudios paralelos a esta tesis. Algunas de las observaciones finales permiten echar un vistazo a las perspectivas y estrategias futuras para complementar el control estático y el control dinámico en una única herramienta, que podría avanzar enormemente nuestra capacidad de controlar la respuesta óptica de nanoantennas debajo del límite de difracción. / El control dinámico y determinístico de la luz en una escala espacial por debajo de la longitud de onda es un requisito clave para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la macro-óptica hasta la escala nanométrica. Un mayor nivel de control también tendrá implicaciones importantes en nuestra comprensión de los fenómenos ópticos en la nanoescala. Uno de los principales problemas en nano-óptica tiene como objetivo describir cómo y con qué precisión es posible controlar la distribución espacial de la luz de forma dinámica en la nanoescala. Desafortunadamente, un límite fundamental de la física – el límite de difracción de la luz – afecta nuestra capacidad de seleccionar ópticamente puntos separados por menos de media longitud de onda de la luz. El campo de la plasmónica ofrece una oportunidad única para cerrar la brecha entre el límite de difracción y la escala nanométrica. Nanoantenas metálicas pueden acoplarse eficientemente a luz propagante y focalizarla en volúmenes nanométricos, y viceversa. Además, estas nanoantenas prometen mejorar significativamente la eficiencia de procesos como le fotodetección, la emisión de luz, sensores, transferencia de calor, y espectroscopía a la escala nanométrica. Aprender a controlar de forma precisa la respuesta óptica de estas nanoantenas representa un enfoque muy prometedor para controlar la distribución espacial y temporal de la luz a la escala nanométrica. Tradicionalmente, se han desarrollado dos principales estrategias para el control de la respuesta óptica de nanoantenas plasmónicas: la primer estrategia (estrategia estática) tiene como objetivo la optimización del diseño geométrico de las nanoantenas acorde a su aplicación, mientras que la segunda estrategia (estrategia dinámica) tiene como objetivo la modulación reversible del campo cercano de una nanoestructura dada a través de la manipulación de la luz de excitación en el tiempo y el espacio. El trabajo presentado en esta Tesis extiende el estado del arte de estas dos estrategias, y desarrolla nuevas herramientas, tanto experimentales como teóricas, para ampliar el nivel de control que tenemos sobre la distribución espacial de la luz debajo del límite de difracción. Después de presentar una visión general de los principios básicos de nano-óptica y de la óptica de lo plasmones de superficie, el Capítulo 1 repasa los avances en el control de la respuesta óptica de nanoestructuras metálicas – sea por una estrategia estática o dinámica – en el momento en que se inició este trabajo de investigación. La modificación de la geometría y las dimensiones de las nanpartículas metálicas sigue siendo un ingrediente fundamental para controlar las resonancias plasmónicas y los campos de luz a la escala nanométrica. Como ejemplos novedosos de control estático, por lo tanto, los Capítulos 2 y 3 estudian nuevos diseños de estructuras plasmónicas con capacidades sin precedentes de modelar campos de luz a la escala nanométrica, en particular un diseño fractal y una nanoantena unidireccional tipo Yagi-Uda. Los Capítuols 4 y 5 describen una nueva herramienta teórica y experimental para el control dinámico y determinístico de la respuesta óptica de nanoantenas basada en la modulación espacial de la fase de la luz de excitación: el campo óptico cercano, que resulta de la interacción entre la luz y las nanoestructuras plasmónicas, es normalmente determinado por la geometría del sistema metálico y las propiedades de la luz incidente, como su longitud de onda y su polarización; sin embargo, el control exacto y dinámico del campo óptico cercano debajo de límite de difracción de la luz – independientemente de la geometría de la nanoestructura – es también un ingrediente importante para el desarrollo de futuros dispositivos nano-ópticos y para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la óptica macroscópica a la escala nanométrica. Finalmente, la Conclusión resume los resultados de este trabajo y ofrece una visión general de algunos estudios paralelos a esta tesis. Algunas de las observaciones finales permiten echar un vistazo a las perspectivas y estrategias futuras para complementar el control estático y el control dinámico en una única herramienta, que podría avanzar enormemente nuestra capacidad de controlar la respuesta óptica de nanoantennas debajo del límite de difracción.