Abstract : Due to surface plasmon resonances, metallic nanostructures are able to focus and to control light on dimensions very small compared to wavelength. During this thesis, the case of transmission metallic gratings have been studied.
Based on a modal method and an S-matrix formalism, an original calculation of complex dispersion curves of metallic gratings have been implemented. The calculation of both the complex photonic band structures and of the spatial distribution of electromagnetic field intensity have allowed a precise description of horizontal and vertical surface resonances. Excitation conditions together with radiative and non-radiative lifetimes have been determined. Their properties of confinement and transmission of light through narrow slits offer new possibilities in optoelectronic.
Two metal-semiconductor-metal structures for ultrafast photodetection are proposed. The confinement of light absorption allows to redifined the usual trade-off between speed and efficiency. In the first structure, metal/semiconductor grating, the light is absorbed between electrodes. In the second structure
the absorption is provided by a fine layer under the electrodes. Both photodetectors, whose inter-electrode spacing is about 100 nm, have been fabricated on GaAs substrates. The good agreement of reflectivity and photocurrent measurements with theory have validated this approach, which could be applied to telecommunication wavelengths.
Cut-off frequencies of several hundreds of GHz could be achieved, with theoretical efficiencies of 75 % for both light polarizations. These results open a new way for ultrafast photodetection.
Résumé : Les nanostructures métalliques présentent, grâce aux résonances de surface qu'elles supportent, la possibilité de confiner et de contrôler la lumière sur des dimensions très inférieures à la longueur d'onde. Durant cette thèse, nous avons étudié le cas des réseaux de fentes métalliques.
Nous avons mis en oeuvre un calcul original des courbes de dispersion complexes des réseaux métalliques, basé sur une méthode modale et un formalisme de matrice S. Le calcul des structures de bandes photoniques complexes et de la répartition spatiale du champ électromagnétique a permis de décrire précisément les résonances de surface horizontales et verticales, leurs conditions d'excitation ainsi que leurs durées de vie radiatives et non radiatives. Leurs propriétés de confinement et de transmission de la lumière dans des fentes très fines devant la longueur d'onde offrent de nouvelles possibilités en optoélectronique.
Nous proposons en particulier deux structures de type métal-semiconducteur-métal pour la photodétection ultrarapide, dans lesquelles le confinement de l'absorption permet de repousser le compromis habituel entre rendement et vitesse. La première structure est un réseau métal/semiconducteur dans lequel la lumière est absorbée entre les électrodes. La seconde structure permet une absorption efficace dans une fine couche sous le réseau métallique. Ces deux photodétecteurs, dont la distance inter-électrode est d'environ 100 nm, ont été fabriqués sur substrat de GaAs. Le bon accord des mesures de réflectivité et de photocourant avec la théorie a permis de valider cette approche, qui pourra notamment être appliquée aux longueurs d'onde des télécommunications.
Les dimensions mises en jeu rendent possibles des fréquences de coupure de plusieurs centaines de GHz, avec un rendement théorique de 75 % indépendamment de la polarisation de la lumière. Ces résultats ouvrent la voie à une nouvelle génération de photodétecteurs ultrarapides.