Caractérisation d'une surface structurée non conductrice pour le support de modes de surface térahertz

Les ondes de surface se propageant le long d'une interface entre deux matériaux ont révolutionné divers domaines d'application pour leurs faibles tailles modales ainsi que leurs conditions de résonances. Particulièrement, ces modes excités aux interfaces entre un diélectrique et un métal, soit les plasmons polaritons de surface, sont exploités dans les domaines œuvrant dans les plages spectrales de l'infrarouge et du visible, telles que l'imagerie à super-résolutions, la détection ainsi que la conception de circuits électroniques de petite taille. Or, depuis ces dernières années, un effort considérable est appliqué dans la recherche ainsi que le développement d'applications exploitant la gamme spectrale des térahertz (0,1 THz – 10 THz), et ce, à l'aide du développement récent des méthodes de générations et de détections d'impulsions térahertz. En effet, cette plage peu exploitée présente un grand potentiel dans le domaine de la détection biochimique, la surveillance-qualité ainsi que la communication sans-fil à haut débit. En revanche, la génération d'ondes de surface dans la gamme spectrale des térahertz est problématique puisque les matériaux conducteurs possèdent des propriétés inadaptées pour le confinement du mode électromagnétique, où une forte délocalisation de l'énergie dans l'espace est observée. Ainsi, la recherche d'interfaces pour l'excitation des modes de surface confinés pour la gamme spectrale des térahertz est en ébullition. Ce mémoire a donc pour objectif de déterminer une telle interface capable de supporter des modes de surface pour cette plage fréquentielle ainsi que de caractériser les propriétés de ces derniers. Pour trouver la solution, une revue critique de la littérature est effectuée afin d'évaluer des alternatives ainsi que les méthodes déjà explorées par la communauté scientifique. Suivant cette revue, il est évident que le choix d'utiliser un métamatériau (matériau possédant des structures périodiques de tailles plus petites que la longueur d'onde d'opération) pour le support de modes de surface est nécessaire puisque ce dernier offre un contrôle sur la valeur de la permittivité effective du matériau ainsi que permet le confinement de l'énergie dans ces structures. Dans le cadre de ce travail, une structure présentant des rainures périodiques de petite taille a été choisie comme métamatériau pour le support de modes de surface. De plus, puisque les métaux sont très absorbants dans le spectre des térahertz, l'hypothèse qu'un métamatériau non conducteur pourrait supporter des modes de surface localisés près de l'interface est émise.

Abstract

The surface waves, which can propagate at the interface between two materials, have revolutionize multiples domains because of their small modal sizes and their resonance conditions. In particular, these surface modes excited at the interface between a dielectric and a conductor, called surface plasmon polaritons, are mainly used in applications working in infrared and visible spectral ranges, such as super-resolution imaging, sensing, and conception of compact electronic circuits. Since the last few years, important efforts have been applied in the search and development of new applications using the terahertz spectral range. Indeed, this frequency range shows enormous potentials in the growth of applications based on biochemical sensing, industrial imaging and security, and high-speed wireless communication. However, one can show that the generation of surface wave at the interface between a dielectric and a conductor is complicated in this spectral range as these modes tend to be highly delocalized (large modal size). So, to be able to exploit the surface wave in these previous applications, new interfaces able to support highly confined surface modes are needed. The goal of this thesis is thus to find an interface able to support such surface modes for the terahertz spectral range and to characterize the properties of the supported modes. To find this interface, a critical review is first performed in order to evaluate possible solutions and to understand the initial works done by the scientific community. Then, based on the review, the used of metamaterial (material or surface with periodic structures with dimensions smaller than the operational wavelength) for the support of confined surface mode is selected as they offer great control on the effective permittivity of the material and allow the confinement of the energy inside the structure. In this work, a surface with periodic thin grooves is chosen as the metamaterial. Moreover, because conductors are highly lossy in the terahertz spectral range, the hypothesis that the corrugated surface made of non conducting material could be able to support highly confined surface modes is discussed. To validate this hypothesis, a rigorous derivation of the Maxwell equations is performed to retrieve the dispersion relation and to evaluate the properties of such supported surface modes.