Coupleurs fibres-métasurfaces aux fréquences THz

Les métamatériaux sont une classe de matériaux artificiels dont les propriétés électromagnétiques peuvent être choisies lors de la conception. Les capacités démontrées sont très variées, allant de filtres fréquentiels à l'augmentation des effets quantiques tels que l'effet Hall de spin du photon. Bien que ces matériaux soient théoriquement maîtrisés, leur fabrication est beaucoup plus problématique. On considère que les éléments des métamatériaux doivent être en dessous de la limite des matériaux effectifs ( < λ/10). De plus, il est difficile d'assembler une structure périodique en 3 dimensions si les éléments sont petits. Pour ces raisons, les métamatériaux sont généralement imprimés sur une surface, en 2 dimensions, que l'on appelle métasurfaces ; on produit ces métasurface généralement pour les fréquences THz (∼ 1012 Hz) ou plus bas puisque la longueur d'onde est suffisamment large pour rendre aisée la fabrication. Les fréquences THz auxquelles sont produits ces métasurfaces ont également plusieurs problèmes. L'absorption dans la plupart des matériaux traditionnels est relativement large(par exemple, le BK7 a des pertes de 20 dB / cm) et les puissances fournies par les sources sont relativement faibles (100 μW pour une source de spectroscopie THz dans le domaine du temps (THz-TDS) standard). Ces métasurfaces peuvent donc jouer un rôle important en remplaçant une large partie des matériaux manquants. De plus, les propriétés résonantes des ces matériaux peuvent être utilisées pour fabriquer des senseurs et autres dispositifs importants. Un problème majeur avec l'implémentation de ceux-ci est le fait qu'ils sont toujours utilisées avec un faisceau libre et non un guide d'onde. Une géométrie simple pour implémenter un guide d'onde est d'utiliser un coupleur standard où un guide est placé au-dessus de la métasurface. Plusieurs articles sur les métasurfaces font une analyse en termes de paramètres effectifs,sans porter d'attention particulière à l'angle d'incidence sur la surface. Or, force est de constater qu'une large partie des publications récentes sur le sujet montrent que ce critère est loin d'être respecté et que la permittivité est une fonction de l'angle d'incidence ; ceci a une influence immense sur les propriétés d'un coupleur bâti à l'aide d'un tel matériau. Premièrement,la modélisation ne s'effectue plus en deux dimensions, avec une expression simple de la permittivité pour la métasurface. Deuxièmement, le couplage contra-directionnel devient possible puisque la périodicité s'approche du vecteur d'onde. Ce mémoire présente la modélisation d'un coupleur fibre-métasurface tenant compte de ces problèmes.

Abstract

Metamaterials are a class of arficial materials where the electromagnetic properties can be tailored during the design process. Currently demonstrated properties are varied, ranging from frequency filters to enhancement of quentum effects such as photon spin Hall effect. While these materials are mastered from a theoretical point of view, their fabrication is much more complicated. It is generally accepted that metamaterial elements must be under the effective medium limit ( < λ/10). Moreover, assembly of a 3D periodical system becomes much more complicated for small elements. For this reason, metamaterials are usually printed in 2D, on a surface, which are called metasurfaces. Generally, these are produced for the THz frequencies (∼ 1012 Hz) or lower to have a large wavelength and thus easy fabrication. Working at THz frequencies also carries additional problems. Absorption in traditional optical mediums is typically large (for exemple, BK7 glass has losses of 20 dB / cm) and powers supplied by THz sources are generally weak ( 100 μW for a THz-TDS standard source). Metasurfaces can thus play an important role by replacing traditional mediums. Moreover, we can use the resonant properties of metamaterials to produce sensors and other devices. Currently, the metasurfaces are used in conjuction with a free-space beam instead of a typical waveguide, which may be problematic when implementing devices. A simple solution to this problem is to use the metamaterial as a standard coupler by placing a waveguide above the metasurface. As stated before, we generally consider metasurfaces as effective mediums, where the permittivity is insensitive to the angle of the incident beam. However, a large amount of publications on this subject shows that this is not respected. This can have a huge impact on properties of a coupler based on such a material. First, modelisation is not a simple 2D mode calculation with a simple expression for permittivity. Second, contra-directional coupling becomes permitted due to wavevector becoming close to the periodicity. This work shows modelisation of such a fiber-metasurface coupler while taking account of these problems, with two publications on the subject. The first article modelises the coupler using a 400 μm diameter subwavelength step-index fiber coupled to a metasurface made of SRR on a 700 μm thick fused silica substrate. Frequencies are around 300 GHz (λ = 1000 μm). We obtain some interesting results.