Exotic structures in nanophotonics, theory and numerical approach

Dans la perspective d’un contrôle ultime de la lumière, les arrivées récentes des cristaux photoniques et des métamatériaux constituent des avancées majeures. Ces matériaux nano-structurés présentant des propriétés optiques inédites nous ouvrent tout un champ de possibilités encore inexploré. En particulier, des milieux d’indice effectif négatif sont rendus concevables. L’objectif de cette thèse est d’étudier d’un point de vue électromagnétique, à l’aide d’outils analytiques et numériques, le comportement de la lumière dans ces structures exotiques. Nous nous penchons sur les boucles de lumières, qui sont des modes localisés d’une structure multi-couches, émergeant du couplage contra-directionnel entre deux guides distincts. Une analyse physique est proposée et un modèle basé sur la théorie des modes couplés est développé. Cela nous permet de décrire avec précision l’excitation d’une boucle de lumière par une source lumineuse, et d’envisager des applications pour la mise en forme de faisceau. Dans une seconde partie, nous étudions des cristaux photoniques unidimensionnels formés par une alternance de milieux d’indices positif et négatif. Lorsque l’indice moyen est nul, une bande interdite aux propriétés nouvelles apparait. Nous montrons que le caractère dispersif des milieux transforme des pics étroits de transmission en larges bandes. Pour caractériser la propagation d’un faisceau dans un tel cristal, nous développons et validons alors un modèle qui nous permet de démontrer le potentiel en matière de mise en forme de faisceau (auto-collimation, focalisation).In the perspective of an ultimate control of light, the recent arrivals of photonic crystals and metamaterials are major advances. These nano-structured materials with unusual optical properties are opening a whole range of possibilities still unexplored. In particular, negative index media have became conceivable. The aim of this thesis is to study, with an electromagnetic point of view, the behavior of light in these exotic structures, using analytical and numerical tools. We study the light wheels, which are localized modes of a multi-layer structure, emerging from the contra-directional coupling between two separate waveguides. A physical analysis is proposed and a model, based on the coupled mode theory, is developed. This allows us to accurately describe the excitation of a light wheel by a source, and to consider applications for beam shaping. In a second part, we study one-dimensional photonic crystals combining positive and negative index layers whose the average index is equal to zero. A band gap, called zero-n gap, appears and presents new properties that we detail. Index dispersion is shown to broaden the resonant frequencies creating then a conduction band lying inside the zero-n gap. Self-collimation and focusing effects are in addition demonstrated in zero-average index crystals supporting defect modes. This beam shaping is explained in the framework of a beam propagation model by introducing an harmonic average index parameter