Conception, fabrication and study of optical metasurfaces

Les métasurfaces optiques sont des composants optiques composées d'un ensemble de nanostructures qui interagissent fortement avec la lumière, modifiant ainsi considérablement ses propriétés sur une épaisseur sub-longueur d'onde. Elles permettent de créer des optiques planes, légères et pouvant combiner plusieurs fonctionnalités (modulation du front d'onde et contrôle de la polarisation par exemple). Nous décrivons ici les travaux concernant la conception, la fabrication et la caractérisation de métasurfaces optiques. Dans le premier chapitre, après une introduction sur l'historique des métasurfaces, nous présentons les outils de simulation GDM (Green Dyadic Method) et FDTD (Finite Difference Time Domain), permettant la simulation de la réponse optique de nanostructures. Dans le second chapitre est d'abord présentée la méthode de design utilisée. Celle-ci implique la création d'une base de données des réponses optiques de nanostructures diverses, obtenues par simulations FDTD. Ensuite, nous présentons le processus de fabrication utilisé, faisant intervenir une structuration par lithographie électronique. Nous introduisons également les outils de mesures utilisés pour caractériser les composants fabriqués. Dans le troisième chapitre, nous détaillons le design, la fabrication et la caractérisation d'une métasurface faisant office de déflecteur de lumière pour la longueur d'onde 750 nm. Cette métasurface est composée de nanodisques de silicium de hauteur 370 nm et de diamètres variant de 114 nm à 208 nm, répartis sur une grille périodique de pas 300 nm. Puis, nous identifions l'origine des différences entre les performances mesurées et celles prédites par les simulations. Dans un premier temps, des observations TEM nous permettent de caractériser précisément les nanostructures fabriquées et de les comparer aux designs théoriques. Nous étudions ainsi l'impact de ces différences sur les performances optiques du métadéflecteur fabriqué au moyen de simulations numériques. Nous considérons les erreurs systématiques (cad identiquement appliquées à toutes les structures) et statistiques. De ces études, nous en concluons que certaines imprécisions, associées à la forme latérale des structures (diamètre, pente des flancs, couche d'oxyde sur les flancs) sont très impactantes alors que d'autres semblent négligeables (hauteur, couche d'oxyde au-dessus). Dans le quatrième chapitre, nous utilisons une méthode de caractérisation optique basée sur une imagerie de phase : la ptychographie. Cette méthode consiste en un traitement numérique d'un grand nombre de clichés de diffractions, acquis suite à l'éclairement de différentes portions d'un objet à imager. Tout d'abord, un historique de la méthode ainsi que son principe de fonctionnement sont présentés. Ensuite, nous décrivons le banc expérimental utilisé tout en justifiant comment optimiser la résolution finale de reconstruction. Enfin, nous montrons l'efficacité de la méthode par la caractérisation de deux métasurfaces, dont une métalentille pour laquelle nous extrayons le profil de phase afin d'en évaluer les performances. Finalement, dans le cinquième et dernier chapitre, nous présentons une nouvelle approche pour la conception de métasurfaces.[...]Optical metasurfaces are optical components composed of a set of nanostructures that interact strongly with light, thus considerably modifying its properties over a thickness smaller than the wavelength. They offer the advantage of creating flat, lightweight optics that can also combine several functionalities (wavefront modulation and polarization control for example). Moreover, they represent a very active field of research because of their high potential. We describe here our work concerning the design, fabrication and characterization of optical metasurfaces. In the first chapter, after an introduction on the history of metasurfaces, we present the simulation tools GDM (Green Dyadic Method) and FDTD (Finite Difference Time Domain), which allow the simulation of the optical response of nanostructures. In the second chapter, the design method used is presented. It involves the creation of a database of optical responses of various nanostructures, obtained by FDTD simulations. Then, we present the fabrication process used, involving structuring by electron beam lithography. We also introduce the measurement tools used to characterize the fabricated components. In the third chapter, we detail the design, the fabrication and the characterization of a metasurface acting as a light deflector for the 750 nm wavelength. This metasurface is composed of silicon nanodiscs of height 370 nm and diameters varying from 114 nm to 208 nm. These nanodiscs are arranged on a periodic grid of 300 nm pitch. Then, we focus on identifying the origin of the differences between the measured performances and those predicted by the simulations. Thus, we study the impact of possible nanofabrication errors on the optical performances of metasurfaces based on the meta-deflector that we had fabricated. First, TEM observations allow us to characterize precisely the fabricated nanostructures and to compare them with the theoretical design. We then study the impact of these differences on the optical performances of the fabricated meta-deflector by means of numerical simulations. We study the case where the errors are systematic (i.e., identically applied to all structures) and statistical. From these studies, we conclude that some imperfections, related to the lateral shape of the structures (diameter, slope of the sides, oxide layer on the sides) are very impacting while others seem negligible (height, oxide layer above). In the fourth chapter, we use an optical characterization method based on phase imaging called ptychography. This method consists of a digital processing of a large number of diffraction images, acquired following the illumination of different portions of an object to be imaged. First, a history of the method and its operating principle are presented. Then, we describe the experimental bench used while justifying how to optimize the final resolution of reconstruction. Finally, we show the efficiency of the method by characterizing two metasurfaces, including a metalens for which we extract the phase profile in order to evaluate its performance. Finally, in the fifth and last chapter, we present a new approach for the design of metasurfaces using ptychography. [...