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1 CIMAP - UMR 6252 - Centre de recherche sur les Ions, les MAtriaux et la Photonique

Abstract : This thesis is based on the modeling of wave-matter interaction in nanostructured materials by the finite-difference time-domain FDTD associated with auxiliary differential equations ADE. The developed numerical method was applied to two areas: i the study of waveguides co-doped with silicon nanograins and rare earth ions photonics and ii the study of optical properties of gold nanoparticles plamonics.Waveguides co-doped with silicon nanograins and rare earth ions, which can be either erbium or neodymium ions were investigated numerically by means of a new algorithm based on the ADE-FDTD method. This allows us to characterize, for two rare earth, the propagation of the pump and the signal inside the waveguide as well as the achievable gross gain can be achieved. It has been shown that the reachable potential gross gain of a waveguide doped with neodymium ions is greater by one order of magnitude to the one of a waveguide doped with erbium ions.Individual structured gold nanoparticles have been studied numerically and the results were compared with measurements made by energy loss spectroscopy EELS mapping. The resonance energies found by the two approaches for different types of particles were found to be in very good agreement. Moreover, the dispersion relation of modes of nanowire found by EELS and ADE-FDTD has been confirmed by an analytical model. Finally array of gold nanoparticles have been modeled in order to obtain a Fano resonance.

Rsum : Ce travail de thse est bas sur la modlisation de l-interaction onde-matire dans des matriaux nanostructurs par la mthode des diffrences finies dans le domaine temporel FDTD associe des quations diffrentielles auxiliaires ADE. Le code de calcul dvelopp a t appliqu deux domaines: la photonique avec l-tude de guides d-onde co-dops avec des nanograins de silicium et des ions de terres rares et la plasmonique avec l-tude de nanoparticules d-or. Des guides d-ondes co-dops avec des nanograins de silicium et des ions de terres rares, pouvant tre soit des ions erbium ou des ions nodyme, ont t tudis numriquement. Pour cela un nouvel algorithme bas sur la mthode ADE-FDTD a t dvelopp. Cela a permis de caractriser, en fonction de la terre rare, la propagation de la pompe et du signal dans le guide ainsi que le gain brute pouvant tre atteint. Il a t montr notamment que le gain potentiel atteignable d-un guide d-onde dop avec des ions nodymes est suprieur d-un ordre de grandeur par rapport celui d-un guide d-onde dop avec des ions erbiums. Des nanoparticules d-or individuelles ont t tudies numriquement et les rsultats ont t compars des mesures faites par spectroscopie de pertes d-nergies EELS. Les nergies de rsonance trouve par les deux approches pour diffrentes formes de particules se sont rvles tre en trs bon accord. De plus, la relation de dispersion d-un nanofil trouve par mesure EELS et ADE-FDTD a pu tre vrifie par un modle analytique. Enfin des rseaux de nanoparticules d-or ont t modlis dans le but d-obtenir une rsonance de type Fano.

en fr

Keywords : numerical simulation ADE-FDTD nanoparticle Localized surface plasmon resonance Plasmon waveguide silicium photonic rare earth

Mots-cls : Simulation numrique nanoparticule plasmon de surfaces localis guide d-onde photonique terre rare





Autor: Alexandre Fafin -

Fuente: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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