Réalisation de méta-optiques à base de matériaux semi-conducteurs III-V pour des applications dans le visible

Cette thèse a été effectuée au sein du laboratoire CRHEA, laboratoire spécialisé dans la croissance de matériau semi-conducteur, dans l’équipe Flatlight, et en collaboration avec plusieurs équipes d’autres laboratoires notamment le NIMS situé au Japon, mais aussi l’équipe Nachos de l’INRIA. Le but de ce travail de thèse est de réaliser et développer des composants d’optiques planaires, plus couramment appelés métasurfaces ou méta-optiques à base de matériaux semi-conducteur. Dans ces composants, nous aurons recourt à des objets nanométriques afin de pouvoir contrôler localement l’onde lumineuse. Il est alors possible de créer des fonctions optiques surprenantes que nul composant classique ne pourra réaliser.

Ce contrôle local de l’onde lumineuse est uniquement possible via une étude numérique approfondi des structures nanométriques employées pour la réalisation de nos composants. En effet, l’étude la géométrie du nanorésonateurs employés nous permettra d’accéder au contrôle local de la phase du champ électromagnétique. Pour ce faire, j’ai réalisé une étude approfondis des nanorésonateurs employés à l’aide d’un logiciel de résolution des équations de Maxwell. A la suite de ces travaux numérique il a été alors nécessaire de réaliser expérimentalement ces composants. L’un des points clé de cette thèse, a été de démontrer la réalisation de composant métasurfacique en utilisant un matériau semi conducteur. J’ai alors développé, avec différente collaboration, des méthodes de nanofabrication qui m’auront permis de mettre au point plusieurs types de composant.

C’est au XIXème siècle que nous devons la découverte des plus vieux composants optiques trouvés à ce jour, par le Sir Austen Henry Layard. Il trouva des verres possédant la forme de lentille classique permettant de focaliser la lumière en un point [1] Les premières descriptions fondamentales du fonctionnement d’une lentille optique sont décrites par le mathématicien Alhazen au Xème siècle dans un traité d’optique. Mais leur utilisation remontrait à l’Antiquité, décrite dans plusieurs récits, notamment pour améliorer la vue lors de l’observation de combat de gladiateur Pour ce qui est des composants réfractifs, l’apparition des premiers prismes remonte à l’Antiquité et auraient été utilisé comme objet de décoration. Leur comportement dispersif sera alors étudié par Sir Isaac Newton au XVIIème, mettant de ce fait en avant la propriété de dispersion des matériaux. Néanmoins, à la même époque, leur comportement réfractif sera expliqué par la loi de Snell-Descartes (𝑛𝑖𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖 = 𝑛𝑡𝑠𝑖𝑛𝜃𝑡 , permettant de relier les angles 𝜃𝑖 et 𝜃𝑡 , d’un faisceau transmis et incident allant d’un milieu d’indice 𝑛𝑖 vers un second milieu d’indice 𝑛𝑡 , les deux milieux étant séparés par un dioptre) Notons cependant que la découverte de la réfraction est attribuée au savant du monde Arabe Ibn Sahl au Xème siècle.

Le composant retrouvé assez régulièrement dans la littérature est le « Réfracteur de faisceau» ou « Beam deflector » en anglais. Ce composant aura pour but de dévier un faisceau incident à un angle précis. En effet, ce composant a la même fonction optique qu’un prisme ou encore d’un réseau de diffraction. Néanmoins il ne possèdera pas d’ordre de diffraction supérieurs contrairement aux réseaux classiques.

De ce fait, pour être capable de réfracter le faisceau incident il est nécessaire d’introduire dans le front d’onde un gradient de phase 𝜕Φ⁄𝜕𝑥. Partant de ce gradient de phase introduit au front d’onde qui se propage, il est possible d’introduire une loi généralisée de Snell-Descartes qui pourra alors prédire le comportement réfractif d’une métasurface. L’introduction d’un saut abrupt de phase entre deux interfaces permet de retrouver une loi différente de la réfraction et réflexion classique, en utilisant le principe de Fermat. En considérant une onde plane, avec un angle d’incidence 𝜃𝑖 et que les deux rayons voisins sont infiniment proches , la différence de phase entre eux sera nulle, amenant alors à l’expression : [𝑘0𝑛𝑖 sin(𝜃𝑖 ) 𝜕𝑥 + (Φ + 𝜕Φ)] − [𝑘0𝑛𝑡 sin(𝜃𝑡 ) 𝜕𝑥 + Φ] = 0 où 𝜃𝑡 représente l’angle du faisceau transmis, Φ et Φ + 𝑑Φ sont les sauts de phase aux point incident des deux faisceaux et 𝑘0 le vecteur de propagation dans le vide.

Comme nous l’avons mentionné précédemment dans le cas des structures plasmoniques, une limitation dans l’accès aux valeurs de phase apparaît de par leur propriété de résonance. Pour contourner ce problème, la communauté à développer des métasurfaces basées sur l’accès à de nouvelle valeur de phase grâce à la phase géométrique ou encore phase de Pancharatnam Berry[18], [19].

La phase géométrique, ou phase de Pancharatnam-Berry, est un décalage de phase qui apparait lorsque la lumière accumule une phase en changeant sa polarisation de façon adiabatique. Ce changement de polarisation peut être réalisé de façon classique avec des composants tels que des lames demi-onde ou quart d’onde. Ce changement de polarisation représente un trajet sur la sphère de Poincaré . Pendant ce trajet l’onde va accumuler une phase, nommée phase géométrique, qui dépend du chemin parcouru [20].

Maintenant si nous considérons un trajet commençant et finissant avec le même type polarisation, par exemple d’une polarisation circulaire droite à une polarisation circulaire gauche, il existera alors une infinité de chemin permettant le contrôle de la phase ajoutée. La question, alors, est de savoir quel chemin prendre ? La réponse est : utiliser des antennes qui ont des propriétés de conversion de polarisation, et leur faire subir une rotation. L’avantage considérable de cette technique est qu’elle n’est pas reliée aux propriétés de résonances de la nano-antennes. Ce procédé a été utilisé par le groupe du Prof. Hasman dans le début des années 2000 afin de créer ce que nous pouvons considérer comme les métasurfaces pionnières utilisant des nanorésonateurs de type Pancharatnam-Berry [21].