Cette thèse présente les résultats théoriques et expérimentaux de l’interaction entre une onde plane et une monocouche de particules sub-microniques sphériques/non sphériques transparentes au champ optique. Un renforcement local du champ optique sous la particule peut être observé, menant à la formation d’une concentration d’énergie appelée «nanojet photonique». Une étude théorique de la répartition du champ électromagnétique sous les microparticules et le choix des conditions optimales, nous a permis d’exploiter ce nanojet comme un outil de micro-nano-structuration. Dans le cadre de cette thèse, une structuration périodique 2D d’un matériau photosensible à base de TiO2 déposé sur divers substrats a été effectuée par la technique de photolithographie colloïdale. En utilisant ce matériau, cette approche permet en une seule étape de conduire à une couche fonctionnelle, stable mécaniquement et chimiquement. Enfin, cette thèse présente quelques pistes d’exploitation et de perspectives de l’utilisation du phénomène de concentration d’une onde incidente par les microparticules. Plus précisément, cette microstructuration peut être utilisée pour des fonctions de piégeage optique, pour de la croissance localisée de matériaux fonctionnels ou encore pour augmenter l’activité de photocatalyse de couches actives / This PhD thesis presents the theoretical and experimental results of the interaction between a plane wave and a monolayer of spherical / non-spherical submicron particles that are transparent to the optical field. Local amplification of the optical field under the particle can be observed. This amplification of electromagnetic field is called "photonic nanojet". A theoretical study of nanojet under the microparticles and the choice of optimal conditions, allowed us to exploit this nanojet as a micro-nano-structuring tool. A 2D periodic structuring of a TiO2-based photosensitive material deposited on various substrates was carried out by the colloidal photolithography technique. By using this TiO2-based photosensitive material, this approach makes possible in a single step to produce a functional layer. Finally, this thesis presents some opportunities to exploit the phenomenon of concentration of an incident wave by the microparticles. More precisely, this microstructuration can be used for optical trapping functions, for the localized growth of functional materials or for increasing the photocatalytic activity of active layers

Nanowire solar cells have great potential as candidates for high efficiency, next-generation solar cell devices. To realize their potential, accurate and efficient modeling techniques en- compassing both optical and electrical phenomena must be developed. In this work, a coupled optical and electronic model of GaAs nanowire solar cells was developed, with the goal of building a platform for automated, algorithmic device optimization. Significant work was done on the optical portion of model, with the goal of reducing run- times and improving the level of automation. Enhancements were made to an open-source implementation of the Rigorous Coupled Wave Analysis method for solving Maxwell’s equations, to make it more accurate for modeling nanowire solar cells. Its accuracy and efficiency were thoroughly investigated, and with the enhancements presented here it was shown to be an effective technique for rapid optical modeling of nanowire devices. Purely optical optimizations of a sample AlInP-passivated GaAs nanowire on a GaAs substrate were performed to demonstrate the efficacy of the technique using a Nelder-Mead simplex optimization of device geometry. The optical model was then coupled into a finite volume method based electrical model implemented in TCAD Sentaurus, to compute device efficiencies and ultimately optimize electrical device performance. As a first step, an algorithmic optimization of a p-i-n nanowire solar cell consisting of an AlInP-passivated GaAs nanowire on a Si substrate was performed using the generation rates computed by the enhanced RCWA implementation. The overall geometry was fixed to the result of the optical optimization, and only internal electrical parameters were optimized. The results showed that significant performance improvements can be obtained with the right choice of doping levels and doping region configurations, even without optimizing the global device geometry.

The realization of wavelength scale and sub-wavelength scale fabrication of integrated optical devices has led to a concurrent need for computational design tools that can accurately model electromagnetic phenomena on these length scales. This dissertation describes the physical, analytical, numerical, and software developments utilized for practical implementation of two particular frequency domain design tools: the modal method for multilayer waveguides and one-dimensional lamellar gratings and the Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) for 1D, 2D, and 3D periodic optical structures and integrated optical devices. These design tools, including some novel numerical and programming extensions developed during the course of this work, were then applied to investigate the design of a few unique integrated waveguide and grating structures and the associated physical phenomena exploited by those structures. The properties and design of a multilayer, multimode waveguide-grating, guided mode resonance (GMR) filter are investigated. The multilayer, multimode GMR filters studied consist of alternating high and low refractive index layers of various thicknesses with a binary grating etched into the top layer. The separation of spectral wavelength resonances supported by a multimode GMR structure with fixed grating parameters is shown to be controllable from coarse to fine through the use of tightly controlled, but realizable, choices for multiple layer thicknesses in a two material waveguide; effectively performing the simultaneous engineering of the wavelength dispersion for multiple waveguide grating modes. This idea of simultaneous dispersion band tailoring is then used to design a multilayer, multimode GMR filter that possesses broadened angular acceptance for multiple wavelengths incident at a single angle of incidence. The effect of a steady-state linear loss or gain on the wavelength response of a GMR filter is studied. A linear loss added to the primary guiding layer of a GMR filter is shown to produce enhanced resonant absorption of light by the GMR structure. Similarly, linear gain added to the guiding layer is shown to produce enhanced resonant reflection and transmission from a GMR structure with decreased spectral line width. A combination of 2D and 3D modeling is utilized to investigate the properties of an embedded waveguide grating structure used in filtering/reflecting an incident guided mode. For the embedded waveguide grating, 2D modeling suggests the possibility of using low index periodic inclusions to create an embedded grating resonant filter, but the results of 3D RCWA modeling suggest that transverse low index periodic inclusions produce a resonant lossy cavity as opposed to a resonant reflecting mirror. A novel concept for an all-dielectric unidirectional dual grating output coupler is proposed and rigorously analyzed. A multilayer, single-mode, high and graded-index, slab waveguide is placed atop a slightly lower index substrate. The properties of the individual gratings etched into the waveguide's cover/air and substrate/air interfaces are then chosen such that no propagating diffracted orders are present in the device superstrate and only a single order is present outside the structure in the substrate. The concept produces a robust output coupler that requires neither phase-matching of the two gratings nor any resonances in the structure, and is very tolerant to potential errors in fabrication. Up to 96% coupling efficiency from the substrate-side grating is obtained over a wide range of grating properties.

La filière solaire thermodynamique, et plus précisément la technologie des centrales à tour, est l'une des ressources d'énergies renouvelables les plus prometteuses. Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre général de l’augmentation des rendements de centrales solaires à tour où l’augmentation de l'efficacité et de la température du récepteur joue un rôle clé. L’originalité de la thèse réside dans l’étude du rôle des sélectivités spectrale et directionnelle sur le rendement de récepteurs surfaciques à haute température. L’objectif poursuivit a été d’améliorer simultanément la géométrie, le matériau, la rugosité et la microstructuration des récepteurs surfaciques pour créer une sélectivité permettant l’augmentation des rendements. La première étape a consisté à l’élaboration d’un modèle approché d’une centrale solaire pour quantifier l’influence du rendement du récepteur sur le rendement de la centrale. Dans un second temps, un modèle de récepteur détaillé incluant la résolution précise des transferts radiatifs (grâce à la méthode Monte Carlo) a été développé pour déterminer le gain en rendement que l’on peut obtenir grâce à la sélectivité spectrale et directionnelle. Ensuite, la modification des propriétés radiatives des surfaces par des microstructures unipériodiques et bipériodiques a été étudiée dans l'objectif d'augmenter la sélectivité spectrale du récepteur. Cette étape a nécessité la résolution des équations de Maxwell par la méthode RCWA. La microstructure retenue et qui offre le meilleur potentiel possède un relief pyramidal bipériodique. L’optimisation de la période et de la hauteur de ce relief permet d’obtenir une absorptivité solaire maximale égale à 0,98. / Concentrated solar power (CSP) technology is an alternative for renewable thermal energy generation and a promising source of energy. Managing the optical properties of a cavity solar receiver to create spectral and directional selectivities is a solution to improve receiver and solar power plant efficiencies in order to reduce cost. The two main steps of the development are to quantify the potential gain that may result from theoretical selectivities and then the optimization of microstructuration to increase as possible the spectral selectivity. At first, a calculation code was built in order to quantify the influence of receiver on the global solar power plant efficiency. Then a parametric study which takes into account thegeometry, the material, the roughness and the microstructure of the receiver was conducted. At last, an optimization of microstructuration with uniperiodic and biperiodic structures was studied. As a conclusion the best structure is a biperiodic pyramidal relief which offers a huge gain of absorptivity.

Ce travail porte sur l’exaltation de l’effet magnéto-optique (MO) Kerr transverse induite par des «résonances extraordinaires» dans un réseau d’or périodique 1D déposé sur un oxyde de grenat magnéto-optique. La structure complète incluant le réseau métallique 1D a été conçue, simulée numériquement, dimensionnée, fabriquée puis caractérisée. Un algorithme de type RCWA (Rigorous Coupled Wave Algorithm) adapté au calcul parallèle a été développé et utilisé d’une part pour l’étude théorique des modes résonants dans les réseaux magnétoplasmoniques et d’autre part pour l’analyse des données de mesures optiques et magnéto-optiques d’ellipsométrie à base de matrices de Mueller. L’impact sur la réflectivité angulo-spectrale du couplage entre les modes Fabry-Pérot des fentes du réseau et les plasmons de surface à l’interface entre l’or et la couche de grenat MO est ainsi étudié, en utilisant les paramètres optiques et magnéto-optiques réels des matériaux. Pour cela, les caractéristiques optiques du substrat en sGGG (grenat de gallium et gadolinium dopé CaMgZr) et du matériau Bi:GIG (grenat de fer et de gadolinium substitué bismuth) sont au préalable déterminés dans la gamme spectrale 0,73 – 6,42 eV (193 nm-1,7 μm) par ellipsométrie à base de matrices de Mueller. Puis de même la dispersion des composantes magnéto-optiques du tenseur diélectrique est obtenue en appliquant un champ magnétique externe dans le plan, en configuration longitudinale ou transverse. Ces données mesurées sont alors utilisées dans les simulations. Il est ainsi démontré numériquement que grâce à l’interaction des résonances de surface et de cavité dans le réseau 1D l’effet Kerr transverse peut être exalté, éteint ou même de signe inversé, et cela sans renverser ou modifier l’aimantation de la couche magnéto-optique. Pour confirmer les résultats théoriques, une série d’échantillons comportant des réseaux de fentes différentes a été fabriquée par lithographie électronique et procédé de lift-off. Afin de reproduire les données des matrices de Mueller mesurées, les modèles ont été adaptés et optimisés pour tenir compte des imperfections des structures réelles. Les mesures expérimentales confirment l’exaltation de l’effet Kerr magnéto-optique transverse due aux effets magnéto-plasmoniques et prouvent la validité des modèles. / This work studies the enhancement of the transverse magneto-optical Kerr effect by exploiting extraordinary resonances occurring in 1D periodic grating. The 1D periodic gold grating structure was designed, described, numerically simulated, and fabricated. A rigorous Coupled Wave Algorithm (RCWA) developed for parallel computing is used for the theoretical study of resonant modes in magnetoplasmonic gratings and for analysis of optical and magneto-optical data measured by Mueller matrix ellipsometry. The impact of coupling between Fabry-Perot modes inside grating air-gaps and surface plasmon mode at the interface between gold and MO garnet layer is studied via spectra of specular reflectivity and for the various angles of incidence. In a first step, the optical functions of the (CaMgZr)-doped gallium-gadolinium garnet (sGGG) substrate and the Bi-substituted gadolinium iron garnet (Bi:GIG) are obtained in the spectral range from 0.73 eV to 6.42 eV (wavelength range 193 nm – 1.7 μm). Subsequently, the spectra of the magneto-optical tensor components are obtained by applying an external in-plane magnetic field in longitudinal and transverse geometry. The obtained functions are then used for numerical simulations demonstrating that by hybridization of surface and cavity resonances in this 1D plasmonic grating, the transverse Kerr effect can be further enhanced, extinguished or even switched in sign and that without inverting or modifying the film's magnetization. To confirm theoretical results a set of samples, gratings with a different width of an air-gap, was fabricated using electron beam lithography and liftoff technique. To be able to reproduce Mueller matrix data from the samples, the models describing realistic structures were further developed and optimized. Experimental measurements of real structures confirm transverse MO effect enhancement using magnetoplasmonic effects and prove applicability of numerical models.

The applications of low-light imaging are widespread in areas such as biomedical imaging, remote sensing, ratiometric imaging, lithography, etc. The goal of this work is to develop a radiometrically scaled hybrid RCWT calculator to count the photons detected for such applications. The rigorous computation of different imaging models are discussed. An approach to calibrate the radiometry of the hybrid RCWT model for partially coherent illumination is presented. The diffraction from the object is evaluated rigorously using the hybrid RCWT model. A test bench is set up to validate the radiometrically scaled simulations. In all the cases considered, simulation and experiment agree within a 40% difference.

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Les capteurs d'image connaissent un regain d'intérêt grâce à la croissance remarquable du secteur de la communication sans fil, et leurs fonctionnalités tendent à se diversifier. Plus particulièrement, une application récente connue sous le nom de capteur de luminosité ambiante (ALS de l'acronyme anglais) est apparue dans le but de proposer un ajustement intelligent du rétro-éclairage dans les appareils mobiles pourvus d'écrans. Les avancées technologiques ont permis la fabrication de smartphones toujours plus fins, ce qui impose une contrainte importante sur la hauteur des capteurs de lumière. Cette réduction d'épaisseur peut être réalisée grâce à l'utilisation de filtres spectraux innovants, plus fins et entièrement sur puce. Dans cette thèse, nous présentons l'étude et la démonstration de filtres plasmoniques adaptés à une intégration dans des produits ALS commerciaux. Les structures de filtrage les plus performantes sont identifiées avec une importance particulière accordée à la stabilité des filtres par rapport à l'angle d'incidence de la lumière et à son état de polarisation. Des schémas d'intégration compatibles CMOS et respectant les contraintes d'une fabrication à l'échelle du wafer sont proposés. Les résonances de plasmon sont étudiées afin d'atteindre des propriétés optiques optimales et une méthodologie spécifique à partir d'un véritable cahier des charges client a été utilisée pour obtenir des performances ALS optimisées. La robustesse des filtres plasmoniques aux dispersions de procédé est analysée à travers l'identification et la modélisation des imprécisions et des défauts typiques d'une fabrication sur wafer 300 mm. A la lumière de ces travaux, une démonstration expérimentale de filtres ALS plasmoniques est réalisée avec le développement d'une intégration à l'échelle du wafer et avec la caractérisation et l'évaluation des performances des structures fabriquées afin de valider la solution plasmonique. / Image sensors have experienced a renewed interest with the prominent market growth of wireless communication, together with a diversification of functionalities. In particular, a recent application known as Ambient Light Sensing (ALS) has emerged for a smarter screen backlight management of display-based handheld devices. Technological progress has led to the fabrication of thinner handsets, which imposes a severe constraint on light sensors' heights. This thickness reduction can be achieved with the use of an innovative, thinnest and entirely on-chip spectral filter. In this work, we present the investigation and the demonstration of plasmonic filters aimed for commercial ALS products. The most-efficient filtering structures are identified with strong emphasis on the stability with respect to the light angle of incidence and polarization state. Integration schemes are proposed according to CMOS compatibility and wafer-scale fabrication concerns. Plasmon resonances are studied to reach optimal optical properties and a dedicated methodology was used to propose optimized ALS performance based on actual customers' specifications. The robustness of plasmonic filters to process dispersions is addressed through the identification and the simulation of typical 300 mm fabrication inaccuracies and defects. In the light of these studies, an experimental demonstration of ALS plasmonic filters is performed with the development of a wafer-level integration and with the characterization and performance evaluation of the fabricated structures to validate the plasmonic solution.

Les nanofils (NFs) semiconducteurs sont sujets d'un intérêt croissant depuis une vingtaine d'années pour de nombreuses applications potentielles liées à leurs propriétés optoélectroniques spécifiques. Ils présentent ainsi un intérêt particulier pour l'application photovoltaïque. En effet, l'association du fort coefficient d'absorption des semiconducteurs III-V et du bas coût des substrats de silicium permettrait de réaliser des cellules photovoltaïques à bas coût et à haut rendement. C'est dans ce contexte que s'est déroulée cette thèse qui visait deux objectifs : d'une part, la simulation RCWA (Rigorous CoupledWave Analysis) de l'absorption de la lumière dans un réseau ordonné de NFs de GaAs sur un substrat de silicium et d'autre part, la croissance auto-catalysée de NFs de GaAs par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) en mode Vapeur- Liquide-Solide (VLS). La simulation RCWA a permis de déterminer les paramètres optimaux en termes de diamètre et hauteur des NFs ainsi que de la période du réseau de NFs pour avoir une absorption optimale de la lumière, en prenant en compte les couches de passivation de GaAlAs et d'ITO. L'étude de la croissance auto-catalysée des NFs de GaAs a permis de déterminer les paramètres de croissance (température, flux de Ga, flux d'As, rapport V/III, ...) optimaux pour avoir une densité, un diamètre et une hauteur de NFs verticaux corrélés aux résultats de simulation. Il a aussi été mis en évidence un rapport V/III critique à ne pas dépasser pour conduire à des NFs de structure cristalline pure Zinc-Blende. Des NFs de GaAs à jonction p-n cœur-coquille ont été produits et caractérisés par EBIC et SSRM. Enfin, nous avons démontré la faisabilité de la croissance auto-catalysée de NFs de GaAlAs sur substrat Si par EJM-VLS. / Over the past few years, semiconductor nanowires (NWs) have aroused a lot of interest for their specific optoelectronic properties. The latter make them particularly interesting for photovoltaics. The combination of the high absorption coefficient of the III-V semiconductors and the low cost of the silicon substrates would indeed make it possible to produce low-cost and with high-efficiency photovoltaic cells. This context made it possible to write this thesis. On the one hand, the RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) simulation of the light absorption in an ordered GaAs NW array on a silicon substrate and on the other hand the self-catalyzed growth of GaAs NWs by Molecular Beam Epitaxy (MBE) in Vapor-Liquid-Solid (VLS) mode. The RCWA simulation was carried out to determine the optimal parameters such as the diameter and the height of the NWs, and the period of the NW array for efficient light absorption. This work took into account both GaAlAs "passivating" layer and ITO transparent contact layer in order to define the optimal parameters. The study of the self-catalyzed growth of GaAs NWs allowed us to determine the optimal growth parameters (temperature, Ga flux, As flux, V/III ratio, ...) in order to obtain a density, diameter and height of vertical NWs correlated to simulation results. A critical V/III ratio was also determined, and in order to produce pure Zinc-Blende NWs, this ratio should not exceed that value. GaAs NWs with p-n core-shell junction were produced and characterized by EBIC and SSRM. Finally, we demonstrated the feasibility of the self-catalyzed growth of GaAlAs NWs on Si substrate by VLS-MBE.