L’optique intégrée sur verre est une technologie mature dont les nombreuses applica-tions vont des télécommunications optiques aux capteurs. L’amélioration constante des per-formances des dispositifs réalisés est basée sur une densification des fonctions et donc uneréduction des dimensions des guides d’onde ainsi qu’une augmentation de la densité de puis-sance que ceux-ci transportent. Dans ce travail, nous avons donc étudié les performancesultimes de la technologie de l’échange d’ions argent/sodium sur verre en matière de confi-nement et de longueur de propagation. En particulier, dans le cas de la génération d’effetsnon-linéaires, nous avons mis en évidence la nécessité de trouver un compromis entre ces deuxaspects. Nous démontrons alors que les performances des guides d’onde obtenus par échanged’ions argent/sodium sont intrinsèquement limitées par les pertes optiques attribuées à laprésence d’argent métallique. Ceci se traduit par la présence d’un seuil d’endommagementà fortes densités de puissances. Pour dépasser cette limitation nous avons proposé et ini-tié alors un changement radical de technologie dont nous présentons les premiers résultatsobtenus par échange thallium/sodium sur un verre spécifiquement développé. / Glass integrated optics is a key enabling technology which applications range from opticaltelecommunications to sensors. The steady improvement of devices performances is sustainedby an increasing functions density and thus smaller waveguides supporting higher powerdensities. In this work we investigate the ultimate performances in terms of confinementand propagation length of the silver/sodium ion-exchanged waveguides fabricated on glasstechnology. In particular, a trade-off between these two features has been highlighted inthe case of nonlinear effects. We then demonstrate that the performances of silver/sodiumion-exchanged waveguides are mainly limited by optical losses introduced by metallic silveraggregates even for buried low-losses waveguides. Hence the waveguides exhibit a damagethreshold for high power densities. To overcome this limitation a major technology changehas been initiate and we present the first results obtained by thallium/sodium ion exchange.

L’optique intégrée sur verre est une technologie mature dont les nombreuses applica-tions vont des télécommunications optiques aux capteurs. L’amélioration constante des per-formances des dispositifs réalisés est basée sur une densification des fonctions et donc uneréduction des dimensions des guides d’onde ainsi qu’une augmentation de la densité de puis-sance que ceux-ci transportent. Dans ce travail, nous avons donc étudié les performancesultimes de la technologie de l’échange d’ions argent/sodium sur verre en matière de confi-nement et de longueur de propagation. En particulier, dans le cas de la génération d’effetsnon-linéaires, nous avons mis en évidence la nécessité de trouver un compromis entre ces deuxaspects. Nous démontrons alors que les performances des guides d’onde obtenus par échanged’ions argent/sodium sont intrinsèquement limitées par les pertes optiques attribuées à laprésence d’argent métallique. Ceci se traduit par la présence d’un seuil d’endommagementà fortes densités de puissances. Pour dépasser cette limitation nous avons proposé et ini-tié alors un changement radical de technologie dont nous présentons les premiers résultatsobtenus par échange thallium/sodium sur un verre spécifiquement développé. / Glass integrated optics is a key enabling technology which applications range from opticaltelecommunications to sensors. The steady improvement of devices performances is sustainedby an increasing functions density and thus smaller waveguides supporting higher powerdensities. In this work we investigate the ultimate performances in terms of confinementand propagation length of the silver/sodium ion-exchanged waveguides fabricated on glasstechnology. In particular, a trade-off between these two features has been highlighted inthe case of nonlinear effects. We then demonstrate that the performances of silver/sodiumion-exchanged waveguides are mainly limited by optical losses introduced by metallic silveraggregates even for buried low-losses waveguides. Hence the waveguides exhibit a damagethreshold for high power densities. To overcome this limitation a major technology changehas been initiate and we present the first results obtained by thallium/sodium ion exchange.

La volonté actuelle de réduire les risques environnementaux et humains amène les chercheurs à trouver de nouvelles solutions de traitement-recyclage poussé des combustibles usés. Dans le but de réduire les volumes d’effluents qu’elle génère, ses temps de réponse et son coût, la miniaturisation de l’analyse chimique en ligne constitue l’un des principaux enjeux de ces recherches. Dans ce contexte, le présent manuscrit traite de la conception, du dimensionnement, de la fabrication et de la caractérisation d’un capteur spectrophotométrique intégré sur verre borosilicate, pour l’analyse des cations radioactifs. Le dispositif, nommé « guide à nanocanal », est réalisé à l’aide des techniques de gravure sèche par plasma et d’échange d’ions. Il contient un coeur ruban surmonté d’un canal de (100 ± 10) nm de profondeur et d’un coeur plan, et permet la propagation d’un mode hybride optimisant ainsi l’interaction fluide/onde guidée sur un large domaine de longueurs d’ondes. Des mesures spectrales d’une solution de nitrate de néodyme en milieu nitrique peu acide (pH 2) et un traitement statistique ont permis de démontrer une limite de détection minimale en terme de coefficient d’absorption de (3,7 ± 0,9) x 10-3 cm-1 sur une longueur de (3,70 ± 0,05) cm et un volume de seulement (7 ± 3) nL. Une structure permettant d’augmenter la longueur d’interaction et donc de diminuer la limite de détection est proposée en perspectives de ce travail, de même qu’une étude préliminaire pour l’utilisation du dispositif en milieu actif. / The current will of reducing environment and human hazards has led the scientists to imagine new solutions for nuclear waste reprocessing. Miniaturized online chemical analysis of industrial processes has in particular an important role to play to reduce effluent volumes, response times and costs. In this context, we present the design, fabrication and characterization of an integrated spectrophotometric sensor on glass for chemical analysis of radioactive cations. The device is called a ―nanochannel waveguide‖ and is fabricated by reactive ion etching and ion exchange on glass. It is made of two borosilicate glass wafers bonded together. The first one contains a strip core and the second one a (100 ±10) nm deep nanochannel and a slab core. It allows the propagation of a hybrid mode, optimizing the fluid/guide wave interaction on a large wavelength range. Spectrometric measurements of a neodymium nitrate in nitric acid (pH 2) followed by statistical treatment have led to a limit of detection in terms of absorption coefficient of (3.7 ± 0.9) x 10-3 cm-1 for a device length of (3.70 ± 0.05) cm and fluid volume as low as (7 ± 3) nL. A structure allowing to increase the interaction length and therefore further decrease the detection limit has been proposed as an outlook of this work, and a preliminary study for use in a nuclear environment has been performed.

La synthèse de composés énergétiques fortement azotés, à partir des réactifs et des processusissus de la chimie des hydrazines, a permis une nouvelle approche de composés de type HEDM(High Energy Density Materials) pour la propulsion spatiale. En effet, la formation de diazote(N−−−N) à partir d’une liaison N−−N libère de grandes quantités d’énergie, et davantage depuis uneliaison N−N. L’amination de la diméthylhydrazine dissymétrique (UDMH) a conduit à un sel de2,2-diméthyltriazanium, possédant trois atomes d’azote reliés uniquement par des liaisons sigma.L’anion inorganique de départ a ensuite été échangé avec des anions énergétiques à plus haut tauxd’azote — 5-aminotétrazolate, 5-nitrotétrazolate, 5,5’-azobistétrazolate, azoture, nitroformiate etdinitroamidure. Pour des raisons de sécurité, l’échange d’ions impliquant l’anion azoture a étéréalisé par électrodialyse et la sensibilité à l’impact ainsi qu’à la friction de ces sels a été évaluéeselon les normes en vigueur. L’analyse des composés les plus riches en azote par calorimétrie decombustion a permis de déterminer leurs enthalpies de formation de manière fiable. Ces dernièresont ensuite été modélisées par des méthodes de chimie quantique et comparées aux procéduresreportées dans la littérature, dont les aspects théoriques ont été discutés. La procédure conduisantaux enthalpies de formation en meilleure adéquation avec les valeurs expérimentales a étéidentifiée ; sa précision excède d’ailleurs celle de résultats récents d’équipes reconnues. Ainsi, lesmoyens mis en place dans le cadre de cette thèse permettront de progresser plus efficacementdans cette nouvelle thématique au laboratoire. / High nitrogen content energetic compounds, envisioned as a first step towards High EnergyDensity Materials (HEDM) for space propulsion, were prepared from hydrazine derivatives. Indeed,the formation of nitrogen gas (N−−−N) from an N−−N bond yields a lot of energy and even morefrom an N−N bond. Hence, an amination reaction on unsymmetrical dimethylhydrazine (UDMH)yielded a 2,2-dimethyltriazanium salt, containing three consecutive single-bonded nitrogen atoms.The initial inorganic anion was then exchanged with the following nitrogen-rich anions in order toyield energetic salts: 5-aminotetrazolate, 5-nitrotetrazolate, 5,5’-azobistetrazolate, azide, nitroformateand dinitramide. For safety reasons, the ion metathesis of the azide salt was conductedby electrodialysis and the sensitivities of all compounds towards both impact and friction wereevaluated in accordance with standard procedures. Reliable heats of formation of the compoundswith the highest nitrogen content were obtained by oxygen bomb calorimetry. These values werethen computed with quantum mechanical methods and compared with known procedures reportedin the literature, whose theoretical backgrounds have been discussed. Consequently, theprocedure resulting in the best match between calculated and experimental heats of formation wasidentified. The precision of the method used herein exceeds that of recent results from renownedresearch groups in this field. Thus, the various techniques introduced during the course of thiswork will enable our laboratory to progress more efficiently in this area of research.

Les isolateurs optiques sont des composants non-réciproques très important dans les systèmes de télécommunication optique. Actuellement les composants commercialisés sont tous discrets, à cause de la difficulté d’intégration des matériaux magnéto-optiques avec les technologies de l’optique intégrée. L’objectif de ma thèse était d’ouvrir une nouvelle voie technologique pour aboutir à une telle intégration. Pour cela nous avons développé une approche basée sur l’utilisation d’un matériau magnéto-optique composite complètement compatible avec la technologie d’échange d’ions sur verre. Ce matériau est élaboré par la voie sol-gel organique-inorganique et dopé par des nanoparticules magnétiques de ferrite de Cobalt (CoFe204). Il a montré des potentialités très prometteuses, illustré par une rotation Faraday spécifique de 420°/cm (@1550nm). Ce composite est déposé par la méthode dip-coating sur un guide fait par échange ionique d’Ar+/Na+, avec des extrémités enterrées par la méthode d’enterrage sélective pour faciliter le couplage-découplage de la lumière dans la structure hybride. Enfin, un traitement thermique (<100°C) et un traitement UV compatibles avec le procédé d’échange d’ions sur verre sont appliqués sur le dispositif pour finaliser la couche magnéto-optique. La caractérisation optique de notre dispositif a montré une bonne distribution de la lumière entre la couche magnéto-optique et le guide fait par échange d’ions (un bon confinement latéral). De plus, l’application d’un champ magnétique longitudinal au composant a permis de démontrer une valeur de conversion de mode TE-TM qui correspond bien à la quantité de la lumière confinée dans la couche magnéto-optique et la biréfringence modale de la structure. Donc, le but principal de la thèse est atteint, et ces résultats montrent la faisabilité d’un convertisseur de mode TE-TM compatible avec la technologie d’optique intégrée sur verre / Optical isolators are essential nonreciprocal devices used in optical communication systems. Currently, these components are commercially available but only in bulk form, due to the difficulties to embed magneto-optical materials with integrated classical technologies. To overcome this problem, our group has developed a new approach based on composite magneto-optical matrix that is fully compatible with ion-exchanged glass waveguide technology. This material is developed by organic inorganic sol-gel process and doped by magnetic nanoparticles (CoFe2O4). Such a magneto-optical composite matrix has shown promising potentialities illustrated by a specific Faraday rotation of 420°/cm (@1550nm). Using dip-coating technique, a composite layer was coated on a glass substrate containing straight channel waveguide made by a silver/sodium ion exchange. The extremities of the guides were previously buried using selective buried method in order to facilitate coupling-decoupling of light in hybrid structure. Last, a soft annealing (<100°C) and UV treatment, both compatible with the ion-exchanged process, have been implemented to finalize the magneto-optical film. Optical characterization demonstrated a good distribution of light between the magneto-optical thin film and the ion-exchanged waveguide (good lateral confinement). Furthermore TE to TM mode conversion has been observed when a longitudinal magnetic field is applied to the device. The amount of this conversion is in good agreement with the distribution of light between the layer and the guide obtained by numerical calculations, and the modal birefringence of the structure. So, the aim of my thesis is achieved and the results demonstrate the feasibility of TE to TM mode converter fully compatible with glass integrated optics