Aniello APUZZO

Near-field of Plasmonic Nanodevices Integrated on Silicon : Experimental and

Theoretical Study

Spécialité : Optique et Nanotechnologies

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Champ proche de nano-dispositifs plasmoniques intégrés sur silicium : étude expérimentale et théorique En 2012, les plasmons-polaritons suscitent tou-jours un grand intérêt pour l’intégration des dispositifs optiques, en permettant un contrôle extrême du confinement de la lumière. L’inté-gration de nanostructures métalliques sur des guides photoniques conventionnels rend ces systèmes hybrides attractifs. Ceci est vrai en particulier pour la photonique sur silicium qui demande le développement de fonctions op-toélectroniques de dimensions de plus en plus réduites. Cependant, les tailles sub-longueur d’onde ca-ractéristiques de ces nanostructures nécessitent la mise en œuvre de méthodes expérimentales et théoriques adaptées pour leur étude. La microscopie en champ proche optique (SNOM) confirme son rôle essentiel en permettant l’imagerie spectrale et la dynamique du champ électromagnétique local. Au-delà de l’imagerie, une mesure quantitative du champ électrique permet de caractériser finement les propriétés optiques et physiques des structures étudiées. Ce manuscrit rapporte l’étude théorique et expérimentale des propriétés optiques d’un guide photonique en silicium, couplé d’une part à un guide à fente métallique et d’autre part à une chaîne de nanoparticules métalliques Les résultats en SNOM, résolus en phase, démon-trent l’existence de régions de confinements électromagnétiques nanométriques et des dis-tances de transfert total de l’énergie entre les deux types de guides inférieures à la d’onde longueur d’onde optique. Ils démontrent éga-lement que les chaines de nanoparticules d’or peuvent guider la lumière et être efficacement exploitées dans de nouveaux dispositifs photo-niques. Mots clés : microscopie en champ proche - plasmons - nanophotonique - optique intégrée

Aniello APUZZO Doctorat : Optique et Nanotechnologies

Année 2013

Near-field of Plasmonic Nanodevices Integrated on Silicon : Experimental and Theoretical Study Up today, plasmon-polaritons arouse a lot of interest for integration of optical devices as they allow precise control of light scale con-finement. Metallic nanostructures integrated on conventional photonic silicon devices make these hybrid systems a new attractive platform. This is especially true for silicon photonics pre-senting complex opto-electronic functions with smaller and smaller dimensions. Nevertheless, these subwavelength structures need appropriate experimental and theoretical characterization techniques. Scanning near-field microscopy (SNOM) showed itself a well adapted tool as it gives direct access to spectral imagery and to the dynamic of local electro-magnetic field. Furthermore, quantitative measurements of electric field provide a very detailed understanding of optical and physical properties of samples. This thesis deals with theoretical and experi-mental study of optical properties of a photonic silicon waveguide, coupled to a plas-monic nanoslit waveguide or a nanoparticles chain. Phase resolved SNOM results, interpreted and analyzed with the help of rigorous models, showed the existence of some regions where electromagnetic field is nanoscale confined and of distances, smaller than optical wavelength, where a total energy transfer between the two waveguides takes place. It is equally demon-strated that a gold nanoparticles chain can propagate light thus paving the way to new photonic applications. Keywords: near-field microscopy - plasmonics -nanophotonics - integrated optics.

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2013TROY0003Ecole Doctorale Sciences et Technologies

Thèse de doctorat de l’UTT

Thèse réalisée en partenariat entre :