ETD

• Fabry-Pérot Intensity Modulator
• Ferromagnetic Cobalt Nanostructures
• Gires-Tournois Interferometers
• Magneto-optical Metasurfaces
• Magnetoplasmonics
• Tunable Metasurfaces

Metasurfaces have emerged as a versatile platform for manipulating electromagnetic waves with unprecedented spatial resolution; however, realizing dynamic tunability remains a critical challenge for practical photonic applications. This thesis investigates the design, fabrication, and characterization of magnetically tunable metasurfaces, exploiting Gires-Tournois (GT) resonant architectures to significantly enhance magneto-optical (MO) effects in the visible and near-infrared spectral regions. The research explores two distinct material platforms: metallic magnetoplasmonic systems based on Cobalt (Co) and all-dielectric systems utilizing Cerium-substituted Bismuth Iron Garnet (Ce:BIG).
The study employs a combination of theoretical modelling, numerical simulations (COMSOL Multiphysics®), and experimental validation. For the metallic systems, Co-based GT metasurfaces were designed to couple localized surface plasmon resonances (LSPRs) and surface lattice resonances (SLRs) with cavity modes. These structures were fabricated using physical vapor deposition and electron beam lithography (EBL) and characterized via reflectance spectroscopy and magneto-optical Kerr effect (MOKE) measurements. Experimental results demonstrate that the nanostructured GT metasurfaces achieve a remarkable enhancement of the polar Kerr response, up to two orders of magnitude in the near-infrared and one order of magnitude in the visible spectrum, compared to bulk cobalt films. Furthermore, a Co-based intensity modulator exhibiting a reflectance contrast of approximately 25% was designed.
In the dielectric regime, the thesis addresses the need for low-loss tunable devices in the telecommunication band. Numerical simulations of Ce:BIG-based GT metasurfaces operating at 1550 nm predict high-efficiency modulation capability. A key achievement is the design of a magnetically tunable bifocal metalens capable of switching its focal length from 1.5 mm to 4.5 mm upon magnetization reversal, providing a proof-of-concept for non-mechanical active optical systems.
Overall, this work establishes that synergistically combining magnetic materials with resonant GT optical cavities is a scalable and effective strategy for developing compact, non-reciprocal, and actively tunable photonic devices, paving the way for advancements in optical modulation and sensing technologies.

Le metasuperfici si sono affermate come una piattaforma versatile per la manipolazione delle onde elettromagnetiche con una risoluzione spaziale senza precedenti; tuttavia, la realizzazione di una sintonizzabilità dinamica rimane una sfida cruciale per le applicazioni fotoniche pratiche. Questa tesi indaga la progettazione, la fabbricazione e la caratterizzazione di metasuperfici magneticamente sintonizzabili, sfruttando architetture risonanti Gires-Tournois (GT) per migliorare significativamente gli effetti magneto-ottici nelle regioni spettrali del visibile e del vicino infrarosso. La ricerca esplora due distinte piattaforme di materiali: sistemi magnetoplasmonici metallici basati sul cobalto (Co) e sistemi interamente dielettrici che utilizzano Bi3Al5O12 sostituito con Cerio (Ce:BIG).
Lo studio impiega una combinazione di modellazione teorica, simulazioni numeriche (COMSOL Multiphysics®) e validazione sperimentale. Per i sistemi metallici, le metasuperfici GT a base di Co sono state progettate per accoppiare risonanze plasmoniche di superficie localizzate e risonanze reticolari di superficie con i modi di cavità. Queste strutture sono state fabbricate utilizzando la deposizione fisica da fase vapore e la litografia a fascio elettronico e caratterizzate tramite spettroscopia di riflettanza e misurazioni dell'effetto Kerr magneto-ottico. I risultati sperimentali dimostrano che le metasuperfici GT nanostrutturate raggiungono un notevole miglioramento della risposta Kerr polare, fino a due ordini di grandezza nel vicino infrarosso e un ordine di grandezza nello spettro visibile, rispetto ai film di cobalto. Inoltre, è stato progettato un modulatore di intensità a base di cobalto che presenta un contrasto di riflettanza di circa il 25%.
Nel regime dielettrico, la tesi affronta la necessità di dispositivi sintonizzabili a bassa perdita nella banda delle telecomunicazioni. Le simulazioni numeriche di metasuperfici GT a base di Ce:BIG operanti a 1550 nm prevedono una capacità di modulazione ad alta efficienza. Un risultato chiave è la progettazione di una metalente bifocale che lavora in riflettanza a sintonizzazione magnetica, in grado di commutare la sua lunghezza focale da 1,5 mm a 4,5 mm in seguito all'inversione della magnetizzazione, fornendo una prova di concetto per sistemi ottici attivi non meccanici.
Nel complesso, questo lavoro dimostra che la combinazione sinergica di materiali magnetici con cavità ottiche risonanti GT è una strategia scalabile ed efficace per lo sviluppo di dispositivi fotonici compatti, non reciproci e a sintonizzazione attiva, aprendo la strada a progressi nelle tecnologie di modulazione e rilevamento ottico.