Avec l'évolution rapide des techniques de nanofabrication, ces dix dernières années ont vu l'émergence de nouveaux composants pour l'optique dont la caractéristique principale est d'être constitués par la répétition d'un motif périodique de dimension sub-longueur d'onde. Ce travail de thèse est consacré à l'étude en champ proche et en champ lointain de deux familles de composants périodiques : les cristaux photoniques et les réseaux métalliques présentant une transmission exaltée, ou "tamis à photons". Nous commencerons par étudier des cristaux photoniques bidimensionnels sur membrane. Notre microscope en champ proche nous permettra d'accéder à la distribution spatiale de l'intensité à l'intérieur de microcavités à cristal photonique. Nous mettrons également en évidence l'existence d'un couplage entre les modes guidés pair et impair d'un guide droit à cristal photonique. Dans une seconde partie, nous nous intéresserons à des réseaux métalliques en transmission. Grâce à la méthode différentielle, qui permet de modéliser efficacement ces structures, nous discuterons les propriétés physiques de réseaux unidimensionnels avec ou sans ouvertures. Le rôle des modes plasmon-polaritons de Bloch dans le processus de transmission au travers de structures sans ouvertures sera clairement établi.

Surface plasmon-polaritons are optical surface waves formed through the interaction of photons with free electrons at the surface of metals. They offer interesting applications in a broad range of scientific fields such as physics, chemistry, biology, and material science. However, many of such applications face limitations imposed by the high propagation losses of these waves at visible and near-infrared wavelengths, which result mainly from power dissipation in the metal. In principle, the propagation losses of surface plasmon-polaritons can be compensated through optical amplification. The objective of this thesis is to provide deeper insights on the physics of surface plasmon-polariton amplification and spontaneous emission in surface plasmon-polariton amplifiers through theoretical and experimental vehicles applied (but not necessarily restricted) to a particular plasmonic mode termed long-range surface plasmon-polariton. On the theoretical side, the objective is approached by developing a realistic theoretical model to describe the small-signal amplification of surface plasmon-polaritons in planar structures incorporating dipolar gain media such as organic dye molecules, rare-earth ions, and quantum dots. This model takes into account the inhomogeneous gain distribution formed near the metal surface due to a non-uniform excitation of dipoles and due to a position-dependent excited-state dipole lifetime that results from near-field interactions between the excited dipoles and the metal. Also, a theoretical model to describe the amplified spontaneous emission of surface plasmon-polaritons supported by planar metallic structures is developed. This model takes into account the different energy decay channels into which an exited dipole located in the vicinity of the metal can relax. The validity of this model is confirmed through experimentation. On the experimental side, the objective is approached by providing a direct experimental demonstration of complete loss compensation in a plasmonic waveguide. The experiments are conducted using the long-range surface plasmon-polariton supported by a symmetric thin gold waveguide incorporating optically pumped organic dye molecules in solution as the gain medium. Also, an experimental study of spontaneous emission in a long-range surface plasmon-polariton amplifier is presented. It is shown that this amplifier benefits from a low spontaneous emission into the amplified mode, which leads to an optical amplifier with low noise characteristics. The experimental setup and techniques are explained in detail.

Dans la gamme de fréquence térahertz (THz), les sources et les détecteurs couramment utilisés en optique et en électronique présentent une chute de performances. Mon travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche de composants THz peu onéreux, compacts, accordables en fréquence et facile à intégrer. Le premier volet de mon travail de thèse concerne la détection THz et met à profit le couplage entre une onde incidente THz et des plasmons d'un gaz bidimensionnel d'électrons (2DEG) via des réseaux métalliques déposés au-dessus d'hétérostructures. Quatre puits quantiques à base de semi-conducteurs III/V(AlGaN/GaN, AlGaAs/GaAs, InAlN/GaN) et IV/IV (SiGe/Si/SiGe) ont été étudiés. Parmi les hétérostructures envisagées, celles réalisées à partir de matériaux III-N présentent les plus fortes résonances. Des mesures de spectre de transmission ont été effectuées avec un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) à température ambiante et cryogénique. Les modélisations numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une étude sur l'influence de la distribution homogène ou inhomogène du gaz d'électrons 2D est présentée. Le deuxième volet de la thèse concerne l'optimisation de la transmission THz. Les performances (dipsersions et les pertes) des guides d'onde planaires sont mal connues au THz. Nous avons choisi d'étudier des guides d'onde couramment utilisés en hyperfréquence. Dans un premier temps, la dispersion et les pertes (rayonnement, conduction et diélectrique) de lignes coplanaires (CPW) sur substrat polymère (BCB = benzocyclobutène) et substrat semiconducteur (InP) obtenues grâce à des modélisations numériques (Ansoft HFSS) entre 20 GHz et 1 THz sont présentées. Puis d'autres types de guides ont été envisagés tels que les lignes micro-ruban, à fente et triplaques sur substrat BCB avec HFSS et CST MWS. Leurs performances ont été comparées afin de dégager la structure la plus performante au THz. Des mesures entre 340 et 500 GHz ont pu aussi être réalisées pour les guides CPW. La comparaison avec les données numériques a montré un bon accord.

Surface plasmon-polaritons are optical surface waves formed through the interaction of photons with free electrons at the surface of metals. They offer interesting applications in a broad range of scientific fields such as physics, chemistry, biology, and material science. However, many of such applications face limitations imposed by the high propagation losses of these waves at visible and near-infrared wavelengths, which result mainly from power dissipation in the metal. In principle, the propagation losses of surface plasmon-polaritons can be compensated through optical amplification. The objective of this thesis is to provide deeper insights on the physics of surface plasmon-polariton amplification and spontaneous emission in surface plasmon-polariton amplifiers through theoretical and experimental vehicles applied (but not necessarily restricted) to a particular plasmonic mode termed long-range surface plasmon-polariton. On the theoretical side, the objective is approached by developing a realistic theoretical model to describe the small-signal amplification of surface plasmon-polaritons in planar structures incorporating dipolar gain media such as organic dye molecules, rare-earth ions, and quantum dots. This model takes into account the inhomogeneous gain distribution formed near the metal surface due to a non-uniform excitation of dipoles and due to a position-dependent excited-state dipole lifetime that results from near-field interactions between the excited dipoles and the metal. Also, a theoretical model to describe the amplified spontaneous emission of surface plasmon-polaritons supported by planar metallic structures is developed. This model takes into account the different energy decay channels into which an exited dipole located in the vicinity of the metal can relax. The validity of this model is confirmed through experimentation. On the experimental side, the objective is approached by providing a direct experimental demonstration of complete loss compensation in a plasmonic waveguide. The experiments are conducted using the long-range surface plasmon-polariton supported by a symmetric thin gold waveguide incorporating optically pumped organic dye molecules in solution as the gain medium. Also, an experimental study of spontaneous emission in a long-range surface plasmon-polariton amplifier is presented. It is shown that this amplifier benefits from a low spontaneous emission into the amplified mode, which leads to an optical amplifier with low noise characteristics. The experimental setup and techniques are explained in detail.

Nowadays plasmonics is rapidly developing areas from fundamental studies to more application driven research. This dissertation contains three different research topics on plasmonics. In the first research topic, by modulating the zone width of a plasmonic zone plate, we demonstrate that a beam focused by a proposed plasmonic zone plate lens can be achieved with higher intensity and smaller spot size than the diffraction-limited conventional zone plate lens. This sub-diffraction focusing capability is attributed to extraordinary optical transmission, which is explained by the complex propagation constant in the zone regions afforded by higher refractive index dielectric layer and surface plasmons. On the other hand, the resulted diffraction efficiency of this device is relatively low. By introducing a metal/dielectric multilayered zone plate, we present higher field enhancement at the focal point. This higher field enhancement originates not only from surface plasmon polaritons-assisted diffraction process along the propagation direction of the incident light (longitude mode), but also from multiple scattering and coupling of surface plasmons along the metal/dielectric interface (transverse mode). In the second research topic, we suggest a novel concept of SERS-active substrate applications. The surface-enhanced Raman scattering enhancement factor supported by gap surface plasmon polaritons is introduced. Due to higher effective refractive index induced by gap surface plasmon polaritons in the spacer region between two metal plates, incident light tends to localize itself mostly in the medium with higher refractive index than its adjacent ones and thereby the lights can confine with larger field enhancement. In the last research topic, we offer a simple structure in which a gold dipole antenna is formed on the SiC substrate. Surface phonon polaritons, counterparts of surface plasmon polaritons in the mid-infrared frequencies, are developed. Due to the synergistic action between the conventional dipole antenna coupling and the resonant excitation of surface phonon polaritons, strong field enhancement in the gap region of dipole antenna is attained. Most of research topics above are expected to find promising applications such as maskless nanolithography, high resolution scanning optical microscopy, optical data storage, optical antenna, SERS-active substrate, bio-molecular sensing and highly sensitive photo-detectors.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des propriétés de guidage des polaritons-plasmons de surface (vitesse de groupe, couplage radiatif, absorption) dans des cristaux plasmoniques 1D et 2D constitués de films métalliques percés d'ouvertures nanométriques périodiques (fentes ou trous). Nous avons développé un banc de mesures optiques (transmission et réflexion) sur un large domaine angulaire (0 − 60°) et spectral (1-16 μm). Il permet d'obtenir les diagrammes de dispersion des modes de surface avec une haute résolution (±0.3°, 0.5 cm−1). <br /><br />Dans les cristaux plasmoniques 1D, nous montrons une modulation des pertes radiatives due au couplage des plasmons de surface se propageant le long des interfaces air/métal et substrat/métal. Il en résulte deux régimes de propagation : un régime radiatif présentant une absorption négligeable, et un régime faible perte très peu couplé à l'espace libre. De plus nous montrons qu'une faible variation de l'indice du substrat (1%) permet de passer d'un régime de propagation à un autre et ouvre la voie à un contrôle externe des couplages radiatifs et non radiatifs des modes guidés.<br /><br />Nous présentons également les propriétés dispersives des plasmons de surface excités sur les interfaces de cristaux plasmoniques 2D anisotropes ayant des périodes différentes selon ses deux axes de symétrie. Nous montrons l'existence d'une bande interdite loin des bords de la zone de Brillouin, et mettant en jeu un couplage entre trois plasmons de surface se propageant dans des directions quasi-orthogonales. Un des modes couplés présente un fort couplage radiatif et une faible vitesse de groupe.

Nous avons étudié la relaxation des polaritons dans une cavité contenant un gaz d'électrons de densité contrôlable. Dans un premier temps, la densité d'électrons a été mesurée. Elle peut être variée entre 0 et 10^11 cm-2. Nous avons ainsi pu étudier un nouveau mécanisme de relaxation : la relaxation par collisions polariton-électron, qui était encore mal connu auparavant. Ce mécanisme permet d'augmenter d'un ordre de grandeur les facteurs d'occupation dans les états de polariton proches de k//=0. La comparaison avec la relaxation par collisions polariton-polariton montre cependant que les deux mécanismes de collisions sont aussi efficaces l'un que l'autre, contrairement à ce qui avait été proposé théoriquement. La différence observée entre théorie et expérience est discutée dans le manuscrit. Enfin, nous avons étudié la photoluminescence résolue en temps des polaritons et montré que les modifications observées sont en grande partie dues aux mécanismes de formation des excitons.

Les polaritons de cavité sont des quasi-particules, partiellement matière-t partiellement lumière, crées lors du couplage fort d'un exciton et d'un photon de cavité. A une certaine température et densité de particules, les polaritons de cavité peuvent subir une transition de phase de type quasi-Bose-Einstein et condenser dans l'état de plus basse énergie du système; dans ces conditions, la cavité émet de la lumière cohérente et le dispositif associé est appelé laser à polaritons. ZnO est l'un des matériaux les plus adaptés pour la fabrication des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante, en raison de ses excellentes propriétés excitoniques. Cependant, des difficultés techniques ont empêché la réalisation de microcavités à base de ZnO pendant longtemps. Dans cette thèse nous présentons la fabrication de microcavités à base de ZnO par deux approches différentes, ce qui a permis de surmonter les difficultés technologiques existantes et ont permis d'obtenir des figures de mérite avec des valeurs records (pour le facteur de qualité ainsi que pour l'éclatement de de Rabi). Des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante ont été démontré dans les deux cas. Dans la microcavité entièrement hybride, des condensats de polaritons ont été étudiés dans une gamme de désaccord exciton-photon sans précédents, et de basse température à température ambiante; ceci a permis d'obtenir, pour la première fois, un diagramme de phases complet. Cette thèse ouvre la voie à une polaritonique appliquée fonctionnant à température ambiante.

The behaviour of surface plasmon polaritons (SPPs) in nanoscale geometries is studied using numerical methods supported by theory and experiment. First, we derive the behaviour of SPPs at graded metal-dielectric interfaces, including dispersion relations, field profiles, propagation velocities, losses, and cutoff wavelength. Numerical simulations show excellent agreement with analytic solutions. In the second part of the thesis we design hybrid vanadium dioxide-plasmonic based absorption switches. The switches are designed and optimized using optical, electrical and thermal simulations. 5 $\mu$m switch designs have extinction ratios exceeding 30 dB and require powers of 10 mW. A switch is fabricated based on the proposed design. A 7 $\mu$m experimental switch reaches 16.4 dB of extinction and requires 64 mW of power, making it one of the most efficient optical switches ever demonstrated in terms of extinction and power consumption. Numerical simulations predict experimental results with a high degree of accuracy.

The behaviour of surface plasmon polaritons (SPPs) in nanoscale geometries is studied using numerical methods supported by theory and experiment. First, we derive the behaviour of SPPs at graded metal-dielectric interfaces, including dispersion relations, field profiles, propagation velocities, losses, and cutoff wavelength. Numerical simulations show excellent agreement with analytic solutions. In the second part of the thesis we design hybrid vanadium dioxide-plasmonic based absorption switches. The switches are designed and optimized using optical, electrical and thermal simulations. 5 $\mu$m switch designs have extinction ratios exceeding 30 dB and require powers of 10 mW. A switch is fabricated based on the proposed design. A 7 $\mu$m experimental switch reaches 16.4 dB of extinction and requires 64 mW of power, making it one of the most efficient optical switches ever demonstrated in terms of extinction and power consumption. Numerical simulations predict experimental results with a high degree of accuracy.