Photonic Gap Antennas for the Manipulation and Generation of Light

RÉSUMÉ Le développement des antennes optiques a énormément progressé au cours des deux dernières décennies. De manière semblable à leurs homologues à plus grande longueur d’onde (radio et micro-ondes), les antennes optiques convertissent le rayonnement électromagnétique du champ lointain en champ proche localisé et vice versa. Alors que la transmission dans les antennes à grande longueur d’onde est générée par des courants électriques alternatifs, les antennes optiques sont généralement excitées par des faisceaux lumineux incidents ou des émetteurs uniques tels que des atomes, des molécules ou des points quantiques. Une extrac-tion efficace de l’énergie électromagnétique de ces émetteurs nécessite une forte localisation du champ électrique proche. Pour y parvenir, la grande majorité des travaux théoriques et expérimentaux se sont concentrés sur l’utilisation d’antennes métalliques sub-longueur d’onde. La réponse des métaux aux champs électriques oscillant à des fréquences visibles et infrarouges est dominée par les plasmons de surface qui permettent une localisation très in-tense des champs électriques oscillants, dans un volume beaucoup plus petit que la longueur d’onde. La résonance des plasmons de surface convertit l’énergie du champ électrique, source de capacitance, en énergie cinétique des électrons libres, source d’inductance cinétique. Cela est différent du mécanisme d’opération des antennes à grande longueur d’onde et des an-tennes diélectriques, où l’énergie oscille principalement entre le champ électrique et le champ magnétique. La capacité des antennes plasmoniques à manipuler ou à renforcer l’émission d’émetteurs uniques proches s’est avérée utile à la fois pour les dispositifs émettant de la lumière et pour les sources de photons uniques de pointe. De plus, leur capacité à concentrer la lumière a trouvé des applications importantes, par exemple dans les senseurs, l’optique non linéaire, la photonique intégrée et l’imagerie. L’objectif de cette thèse est d’explorer le potentiel des structures diélectriques à faibles pertes en tant qu’antennes optiques. Dans les diélectriques à faibles pertes, les résonances du matériau sont absentes dans la bande de fréquence qui nous intéresse, de sorte que nous pou-vons nous concentrer uniquement sur les résonances structurelles de l’antenne. Contrairement aux métaux, les diélectriques ont des électrons (ou des charges) liés, et le courant de déplace-ment correspondant soutient l’oscillation uniquement entre l’énergie du champ électrique et celle du champ magnétique. Le courant de déplacement dans les diélectriques n’est pas limité à la surface mais est disponible dans tout le volume de la structure de l’antenne. Avec une polarisabilité moléculaire croissante du matériau diélectrique, la structure de l’antenne peut être réduite à une taille plus petite pour augmenter l’intensité du champ électrique et il n’y a pas de perte d’énergie sous forme de chaleur.