La région THz du spectre électromagnétique reste toujours peu exploité, en grande partie dû au manque de sources efficaces, puissantes, accordables, et compactes. En même temps, de nombreuses applications existent dans cette région de fréquences, comme la spectroscopie de molécules de gaz, la communication sans fil à haut débit, et l'imagerie. Les sources optoélectroniques sont prometteurs grâce à leurs petites dimensions, leur accordabilité, et leur fonctionnement à température ambiante. Cependant elles sont limitées en puissance de sortie à cause de destruction thermique à hauts photocourants. Dans cette thèse, le collage de substrats à basse température utilisant l'In est étudié comme méthode permettant le transfert de photomélangeurs sur des substrats de conductivité thermique plus élevée, améliorant les propriétés thermiques et minimisant la diffusion pendant le collage. Il est montré que le collage basé sur le système In--Au est approprié pour la fabrication de photomélangeurs THz. Dû à l'abondance de lasers compacts et composants optiques disponibles à 1.55 µm, l'attention est focalisée aux photomélangeurs fonctionnant à cette longueur d'onde télécom. Comme première application du processus de report développé, des photoconducteurs basés sur l'InGaAs implanté Fe sont explorés. Cependant la résistivité d'obscurité des couches obtenues reste trop faible pour leur emploi comme photoconducteurs. Ensuite des photodiodes à transport unipolaire transférées sur substrat Si sont fabriquées. Une génération THz très efficace est démontrée. A 300 GHz, une puissance de 692 µW est obtenue, faisant des photodiodes développées des sources idéales pour des systèmes mobiles THz. / The THz region of the electromagnetic spectrum is still largely unexploited, mostly due to the lack of efficient, powerful, tunable, and compact sources of THz radiation. At the same time, many applications exist in this frequency range, such as gas spectroscopy, wireless communication at high data rates, imaging, and quality control. Optoelectronic sources are promising as they are compact, widely tunable, and operate at room temperature. However, they are limited in output power due to thermal failure at high photocurrents. In this thesis, low temperature wafer bonding employing indium is investigated as a method to transfer photomixers to substrates with higher thermal conductivity, improving the thermal properties while minimizing diffusion effects during the bonding process. Wafer bonding based on the indium--gold system is shown to be suitable for the fabrication of THz photomixers.Due to the abundance of cheap and compact lasers and optical components available at 1.55 µm wavelength, the attention is focused on photomixers working at this telecom wavelength. As a first application of the developed bonding process, photoconductors based on Fe implanted InGaAs are investigated. However, the dark resistivity of the obtained layers is too low for use in photoconductors. In a next step, uni-traveling-carrier photodiodes transferred to silicon substrate are designed and fabricated. Highly efficient THz generation reaching 692 µW at 300 GHz has been achieved by these devices, making them ideal sources for mobile THz systems.

Ce travail de thèse est lié concerne l’étude de composants optoélectroniques à base de nouveaux matériaux semi-conducteurs, les nitrures de gallium (GaN) déposés sur silicium. Les défis qui nous attendent concernent essentiellement la qualité microstructurale des couches et la fabrication de composants fonctionnant à hautes fréquences avec des faibles pertes optiques. Durant ces recherches, il a été nécessaire d’évaluer les propriétés optiques et électro-optiques par la technique du couplage prisme, sur des configurations GaN/Si. Il a été démontré que les indices de réfraction du GaN restent relativement élevés (n0=2.285 à la longueur d’onde λ=1.5µm), assez comparables à ceux obtenus sur le substrat de référence, le saphir. Des analyses en température ont également permis de vérifier la stabilité des indices. Par contre, nous avons pu observer une augmentation des pertes de propagation optique, liées à la forte densité de dislocations dans la couche GaN. Une première démonstration des effets électro-optiques de type Pockels a pu être réalisée au cours de cette thèse. Pour une structure d’épaisseur 1µm, nous avons relevé des coefficients r13 de l’ordre de +1pm/V et r33 de +1.67 pm/V, soit 50% supérieurs à ceux du GaAs. L’ensemble de ces travaux doit permettre la conception de composants de type modulateurs et commutateurs optiques. / This research is related to the study of optoelectronic devices based on new gallium nitride semi-conductors (GaN) deposited on silicon. The aim concerns essentially the microstructural quality of the materials and the fabrication of components operating at high frequency with limited optical propagation loss. During this study, we have evaluated the optical properties as well as the electro-optic ones by prism coupling into GaN on Si. We have demonstrated that the refractive index of GaN remains relatively constant to a value of 2.285 at λ=1.5µm, comparable to the index reported for the reference structure, GaN/sapphire. The influence of temperature has been also investigated, showing a relative stability of the index. The increase of optical loss is observed as a consequence of the higher dislocation density in GaN deposited on Si. The investigation of electro-optic effect is proposed here: we report Pockels coefficients r13=+1pm/V and r33=+1.67pm/V: they are higher to 50% than those obtained in well-known GaAs semiconductors. This study will allows us to design and fabricate optical components as modulators and switches.

Le développement de l’internet des objets et des services de vidéo en temps réel (streaming) a conduit à une augmentation continue du trafic des données au sein des data-centers. Celui-ci devrait être multiplié par trois entre 2012 et 2020 pour atteindre 15.3 zettaoctets/an. Cette évolution appelle parallèlement à un accroissement des performances des composants télécom en transmission optique monomode dont le standard s’établit aujourd’hui à 100-200 Gbits/s pour évoluer vers 400-800 Gbits/s dans un futur proche. Bien que les cœurs de technologies semiconducteurs soient aujourd’hui disponibles pour répondre à cette demande, les coûts élevés d’assemblage des puces électroniques (EIC) et photoniques (PIC) ainsi que l’alignement avec les fibres optiques monomodes limitent la pénétration de cette solution technologique sur le marché. Afin de relever ce défi, une structure originale d’interposeur en verre a été proposée dans le cadre du laboratoire commun IEMN-STMicroelectronics. Ce substrat d’assemblage en verre présente des avantages distinctifs majeurs tels que i) l'alignement passif de la fibre externe, ii) l'alignement optique passif du PIC sur l'interposeur, iii) le transfert des fonctions optiques passives du PIC sur l'interposeur de verre et iv) une approche conservative réutilisant les coupleurs à réseau du PIC.Le contexte du packaging électro-optique étant posé, ce travail de thèse s’est concentré sur la fonctionnalisation de substrats de verre par photo-inscription ou micro-usinage laser en régime femtoseconde afin de structurer les guides d’onde optique, les miroirs de redirection du faisceau guidé et la couche de redistribution électrique en cuivre. En premier lieu, des guides optiques monomodes à 1310 nm de bonne qualité ont été obtenus et caractérisés, permettant une mise en évidence franche des effets d’absorption non linéaire, d’auto-focalisation et de filamentation. Une étude expérimentale complète a permis de déterminer les paramètres d’exposition laser et de gravure chimique pour la fabrication de miroirs photoniques. Enfin, une méthode originale de structuration des interconnexions basée sur le fractionnement et le décollement de la couche de cuivre par effet thermo-mécanique a été développée. / The development of the Internet of Things and video streaming services is leadng to a continuous increase in data traffic within data-centers that is expected to increase threefold between 2012 and 2020 reaching 15.3 zettabytes/year. This evolution calls for an increase in performance of telecom components in optical single mode transmission, the standard of which is now 100-200 Gbits/s and will evolve towards 400-800 Gbits/s in the near future. Although the semiconductor technology cores are now available to meet this demand, the high assembly costs of electronic (EIC) and photonic (PIC) integrated circuits as well as the alignment with single-mode optical fibers limit the market penetration of this technological solution. In order to meet the challenge, an original glass interposer structure has been proposed in the framework of the IEMN-STMicroelectronics common laboratory. This glass assembly substrate holds major distinctive advantages such as i) passive alignment of the external fiber, ii) passive optical alignment of the PIC on the interposer, iii) transfer of the passive optical functions of the PIC onto the glass interposer and iv) a conservative approach reusing the PIC grating couplers.With this context associated to electro-optical packaging in mind, this thesis has focused on the functionalization of glass substrates by photo-inscription or laser micromachining in femtosecond regime in order to structure optical waveguides, redirection mirrors and copper electrical redistribution layer. First, good quality 1310 nm single-mode optical guides were obtained and characterized, allowing a clear demonstration of the effects of non-linear absorption, self-focusing and filamentation. A complete experimental study determined the laser exposure and chemical etching parameters for the manufacture of photonic mirrors. Finally, an original method for structuring interconnections based on the fractionation and detachment of the copper layer by thermo-mechanical effect has been developed.

Les nouvelles applications de la commutation optique nécessitent des composants de très hautes performances, c'est-à-dire un faible temps de commutation combiné avec une diaphotie très faible entre branches et un courant de commutation de quelques dizaines de milliampère. Cette combinaison est extrêmement délicate, mais le problème devient redoutable dès qu’on exige, en plus, des pertes fibre à fibre compatibles avec une intégration, c'est-à-dire de l’ordre du décibel.Notre travail de thèse se place dans cette perspective. Il fait suite aux différents travaux de l’IEMN dans ce domaine. Nous avons d’abord mis au point une structure de guide optique à multipuits quantiques pour augmenter les mécanismes de variation d’indice. Puis, nous avons optimisé des commutateurs de très faible diaphotie et des interféromètres de Mach-Zehnder. Ces composants ont ensuite été fabriqués en salle blanche puis caractérisés. Les résultats de cette étude ont déçu nos attentes à cause des pertes excessives des guides optiques.En parallèle, nous avons conçu d’autres guides de type dilué à cœur très fin. Ces guides on ensuite été fabriqué puis caractérisés. Nous avons finalement obtenu des pertes de couplage de 1,6 dB/face sans couche anti-réfléchissante, ce qui donnerait 0,1 dB avec une telle couche. Ce résultat très intéressant doit être lié au fait que la variation d’indice de réfraction obtenue sur ces guides est très importante, montrant un effet de porteurs libres bien plus élevé que dans les guides semi-conducteur classique. Tous ces aspects font de notre guide un excellent candidat pour fabriquer des commutateurs intégrés de très hautes performances. / New applications of optical switching require very high performance devices, i.e. a low switching times combined with very low crosstalk between two arms and a switching current of the order of a few tens of milliamps. This combination is extremely delicate to obtain, but the problem becomes more complicated with the addition of fiber to fiber losses used for integration, which is of the order of one decibel.The work described in this thesis concerns the above mentioned problem. It follows the different work in IEMN in this area. Here we first developed a multiple quantum well waveguide structure to increase mechanisms of index variation. Then, we optimized switches with very low crosstalk and also Mach-Zehnder interferometers. Then these devices were manufactured in a clean room and characterized. The results of this study were not as per our expectations due to excessive losses in optical waveguides.In parallel, we have designed, fabricated and characterized other types of diluted waveguides with a very thin core. We finally obtained coupling losses of 1.6 dB/face without anti-reflective coating, which would give 0.1 dB with such a coating. This very interesting result should be related to the fact that the refractive index variation obtained on these guides is very important, showing an effect of free carriers much higher than in conventional semiconductor guides. All these aspects make our waveguide an excellent candidate for high performance optical switches.

Le grand intérêt des fréquences THz (0.1-10 THz) pour l’imagerie, la spectroscopie et les communications sans fils a conduit à un important développement de dispositifs pour la génération et la détection d’ondes THz. Les photodiodes à transport unipolaire font partie des principales sources grâce à leur comportement large bande (0-3 THz), leur fonctionnement à température ambiante, leur longueur d’opération à 1.55 µm et leur taille compacte. Le plus grand inconvénient est la leur faible puissance RF générée à haute fréquence (ordre du µW à 1 THz). Une technique pour l’augmenter consiste à utiliser des puissances optiques en entrée plus élevées. Par contre, cette solution peut conduire à leur destruction due à l’échauffement, surtout en cas d’absorption non voulue.Dans la première partie de la thèse un contact électrique basé sur un réseau sub-longueur d’onde a été développé pour réduire ce problème. Cette solution donne des bonnes propriétés électriques, optiques et thermiques avec un procédé plus simple en termes de fabrication et caractérisation par rapport aux travaux précédents.Un deuxième inconvénient est relié à leur caractère non-linéaire qui conduit à un bruit à basse fréquence à cause du large spectre des sources optiques. Ce problème est critique dans le cas de mesures à haute fréquence avec des détecteurs incohérentes car les puissances RF sont très faibles.Dans la deuxième partie de la thèse un filtre passe-haut avec une haute transparence et large bande a été développé sur un diélectrique avec faible pertes aux fréquences THz. Le procédé développé peut être utilisé pour des dispositifs en espace libre grâce aux propriétés optique du diélectrique. / The increasing interest in the THz region (0.1-10 THz) for applications like imaging, spectroscopy and wireless communications is leading to a strong development of devices for the generation and detection of THz waves. Uni-travelling carrier photodiodes (UTC-PDs) are one of the main sources due to their broadband behavior (0-3 THz), room temperature operation, driving wavelength of 1.55 µm and compactness. Their main drawback comes from the low output RF powers at high frequencies (order of µW at 1 THz). A technique to increase their RF powers consists in using higher optical driving powers. However, this solution may lead to their failure because of heating, especially in case of unwanted absorption.In the first part of the thesis an electrical contact based on sub-wavelength apertures has been developed to reduce this issue. This solution has been shown valuable under multiple aspects. It provides good electrical, optical and thermal properties, while leading to an easier process in terms of fabrication and characterization with respect to previous works.A second drawback of UTC-PDs is due to their non-linear behavior which leads to a noise at low frequency because of the broad spectrum of the driving optical signals. This issue is critical for measurements at high frequencies with incoherent detectors due to the low RF powers to be detected.In the second part of the thesis a high-transparency broadband high-pass mesh filter has been developed on a novel low-loss dielectric material to filter-out this noise. The developed process can be exploited in other free-space devices like metamaterials due to the remarkable properties of this dielectric at THz frequencies.

Nous étudions ici le comportement non-linéaire d’un photoconducteur utilisé pour l’échantillonnage hyperfréquence. L’absorption optique dans ces photoconducteurs est optimisée grâce à l’utilisation d’une cavité résonante. Nous avons tout d’abord procédé à un travail de caractérisation de photoconducteurs avec différentes propriétés géométriques (diamètre, épaisseur de cavité) et matériau, (temps de vie des porteurs) pour en extraire l’influence de ces paramètres sur les performances en échantillonnage. Nous avons ensuite développé un modèle optoélectronique basé sur la caractéristique courant-tension et le modèle empirique de dérive des porteurs de charge de Canali avec une approche quasi-statique. Ce modèle nous a permis d’isoler certaines caractéristiques du photoconducteur susceptibles d’être la source des harmoniques. Une nouvelle structure de photoconducteur a été développée dans l’objectif de pallier à ces imperfections. Les résultats expérimentaux montrent une symétrisation de la caractéristique courant-tension et une réduction de plus de 20 dB des harmoniques d’ordre paire qui y est associée. Une réduction notable de la capacité est également réalisée ce qui augmente la fréquence de coupure du composant. / This thesis aims to study the nonlinear behavior of a photoconductor used as a microwave sampler. These photoconductors optimize the optical absorption thanks to a Fabry-Pérot resonant cavity. We first carried out a characterization work of photoconductors with different geometrical properties (diameter, cavity thickness) and material (carriers lifetime) to extract the influence of these parameters on the sampling performance. We then developed an optoelectronic model based on the current-voltage characteristic and the empirical Canali’s charge carriers drift model with a quasi-static approach. This model allowed us to isolate some characteristics of the photoconductor that could be the source of the harmonics. A new photoconductor structure has been developed in order to overcome these imperfections. The results of measurements show a symmetry of the current-voltage characteristic which results in a reduction of 20 dB of the even-order harmonics. A significant reduction in the capacity is also achieved which increases the cut-off frequency of these devices.

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La maitrise de l’information représente un avantage concurrentiel de nos jours. Malgré une intensification des moyens développés pour protéger les flux de données, il n’est actuellement pas possible d’échanger à distance et de façon complètement sure, une information entre deux interlocuteurs. Néanmoins, des travaux menés par Bennett et Brassard ont montré qu’il est possible d’atteindre un niveau de sécurité maximum en utilisant un protocole quantique de transmission de l’information. Ce protocole se base sur l’utilisation de réseaux télécom utilisant des répéteurs quantiques à la place des répéteurs classiques. La voie étudiée dans cette thèse, réalisée en partie dans le cadre du projet européen QuRep, a pour but l’amélioration des connaissances sur les monocristaux dopés aux ions de terre rare qui sont des candidats de choix pour la mise au point de répéteurs quantiques. Deux grands axes ont émergés : dans un premier temps nous avons essayé de comprendre quels sont les facteurs de succès et limitatifs dans l’utilisation du cristal de Nd : YSO en tant qu’hôte pour les mémoires quantiques avec pour objectif le transfert de la cohérence électronique vers des niveaux hyperfins. Dans un second temps, nous avons étudié un cristal présentant une structure hyperfine directement accessible en optique, Er : YLF afin de vérifier sa potentielle utilisation pour les mémoires quantiques. Ces travaux ont permis, entre autre, de réaliser un transfert de cohérence d’un niveau Zeeman électronique vers un niveau hyperfin avec un temps de stockage de plus de 300 µs, ce qui permet d’envisager une mémoire quantique dans Nd : YSO permettant de réémettre un photon à la demande. / The control of information is a competitive advantage today. Despite an intensification of the means developed to protect the data stream, it is currently not possible to exchange remotely and in a completely safe way information between two parties. However, the work of Bennett and Brassard have shown that it is possible to achieve a maximum level of security using a protocol for transmitting quantum information. This protocol is based on the use of telecom networks using quantum repeaters in place of conventional repeaters.The route studied in this thesis, carried out partly in the framework of the European Project QuRep, aims to improve knowledge on single crystals doped with rare earth ions that are good candidates for the development of quantum repeaters. Two main areas emerged: on the one hand, we tried to understand the success and limiting factors regarding the use of Nd : YSO single crystal as host for quantum memories. The objective was also to transfer the coherence from an electronic Zeeman level to the hyperfine levels. In a second step, we studied a crystal with a hyperfine structure directly accessible in optics, Er : YLF to assess its potential use for quantum memories. Among other things, we achieved the transfer of coherence from a Zeeman level to an hyperfine level with a storage time of over 300 microseconds, which allows to consider the development an on demand readout quantum memory in Nd : YSO.