Les objets électromagnétiques sont conçus en considérant des matériaux aux propriétés radio-électriques (permittivité, perméabilité) homogènes. Néanmoins, lors de leur réalisation les matériaux réels peuvent présenter des fluctuations de ces propriétés. Ce travail porte sur la mise au point d'outils capables d'estimer le champ diffusé produit par les fluctuations. Trois méthodes ont été mises au point : EMFORS, ABE et RECY pour la détermination du champ diffusé par des fluctuations de permittivité et de perméabilité. La modélisation de la contribution des fluctuations de perméabilité est une avancée significative. En effet, il n'existait pas d'outil traitant ce problème dans toute sa généralité pour estimer le champ diffusé par cette fluctuation. L'absence de magnétisme aux fréquences des ondes optiques en est la principale raison.La méthode RECY est une méthode qui permet d'estimer à l'aide du principe de réciprocité le champ diffusé dans un objet quelconque à partir de la simple connaissance du champ dans l'objet sans défaut et de la fluctuation. Cette méthode permet une fois le calcul du champ idéal effectué par une méthode quelconque (analytique ou numérique) de calculer le champ diffusé de n'importe quelle forme de fluctuation. Nous avons appliqué RECY à des structures comme un réseau simple, une structure industrielle et aux cristaux photoniques. / Electromagnetic objects are designed by considering homogeneous materials properties (permittivity, permeability). However, during their realization real materials may present fluctuations of their properties. This work focuses on the development of tools able to estimate scattered fields produced by fluctuations. Three methods have been developed: EMFORS, ABE and RECY for the determination of the scattered field by fluctuations of permittivity and permeability. Taking into account permeability fluctuations is a significant advance. Indeed, there was no tool to estimate the scattered field by such a fluctuation, due to the absence of magnetic properties at optical frequencies.The RECY method is a method which allows to estimate the field in an object using the principle of reciprocity from the knowledge of the field in the object without defect and of the fluctuation function. This method allows, once the ideal field calculated by any method (analytic or digital), to obtain the scattered field from any structure.We applied RECY for structures such as elementary gratings, an industrial structure and photonic crystals.

Nous présentons la combinaison de la propagation de la lumière lente avec les propriétés de résonance d'une cavité à cristal photonique et par le mode lent d'un guide d'ondes à cristal photonique. Nous démontrons théoriquement et expérimentalement que la lumière lente générée par les oscillations cohérentes des populations (OCP) permet d'avoir une cavité de petite taille et ultra-haute facteur de qualité (Q), quels que soient les enjeux technologiques et de design. La démonstration expérimentale est réalisée dans une cavité L3 dans un cristal photonique (CPh) bidimensionnel avec puits quantiques semi-conducteurs, milieu actif dans lequel l'effet OCP est induit. Nous obtenons une facteur-Q de la cavité de 520000 qui correspond à une amélioration de 138 en comparant avec le facteur-Q initial de la cavité. Nous présentons une approche théorique à la combinaison de la lumière lente obtenue par l'effet OCP et le mode lent dans des guides d'ondes à CPh, ce qui montre que l'indice du groupe total correspond à une multiplication des indices de groupes associés à la lumière lente générée par OCP et aux modes lents des guides d'ondes. Nous avons aussi posé les bases pour la démonstration expérimentale, faisant la conception et de la fabrication des échantillons dans les salles blanches du LPN et abordant la difficulté du couplage et de l'extraction de la lumière dans les guides d'ondes à CPh. Une conception particulière des guides d'ondes sous forme de un super réseau qui permet de coupler la lumière perpendiculairement au plan du CPh à partir de l'espace libre est proposée. Le coupleur vertical a été connu et fabriqué le long du guide et a été expérimentalement caractérisé. L'investigation expérimentale de la combinaison de lumière lente basée sur l'effet OCP dans les guides à CPh est toujours en cours. / We report on the combination of slow light propagation with the resonance properties of a photonic crystal (PhC) cavity and with the slow mode of a PhC waveguide. We demonstrate theoretically and experimentally that slow light induced by the Coherent Population Oscillation (CPO) effect enables to have small-size and ultrahigh quality (Q) factor cavity, regardless of the technological and design issues. The experimental proof is performed in a L3 2D PhC cavity with semiconductor quantum wells as active, medium in which the CPO effect is induced. We achieve a cavity Q-factor of 520000, which corresponds to an enhancement by a factor 138 in comparison with the original Q-factor of the cavity. We present a theoretical approach to the combination of CPO-based slow light and slow mode in PhC waveguides, showing that the total group index is a multiplication of the group indices associated respectively to the CPO slow light and to the waveguide slow mode. We also set the basis for the experimental demonstration by designing and fabricating samples in the clean room facilities of LPN and addressing the challenging issue of coupling and extracting light in and from the waveguides. A particular design of the PhC in the waveguide is issued as a grating that allows to couple light perpendicularly to the plane of the PhC from free space. The vertical coupler has also been designed and fabricated along the waveguide and has been experimentally characterized. Slow light based on CPO effect in the PhC waveguides is always under experimental investigation.

La miniaturisation des systèmes de piégeage optique permet la manipulation et l’analyse d’objets de taille nano et micrométrique. Ces objets peuvent être inertes (billes de silice ou de polystyrène, nanotubes de carbones) ou biologiques (virus, bactéries, cellules). Les dispositifs de piégeage intégrés sur puces présentent l’avantage de manipuler des objets uniques de manière réversible et à très faible puissance. Cela en fait des systèmes très adaptés à l’étude des objets biologiques, souvent plus fragiles et traditionnellement étudiés à l’échelle de la population dans les méthodes de microbiologie. Ces travaux de thèse portent sur l’étude de différentes bactéries piégées sur cristaux photoniques 1D et 2D. Nous y démontrons tout d’abord le piégeage de sept espèces bactériennes : E. coli, B. subtilis, S. epidermidis, Y. ruckeri, N. sicca, P. putida et L. innocua. . Nous y décrivons les méthodes de caractérisation spatiale et temporelle développées pour extraire de l’information de ce piégeage sur la taille, la forme, le déplacement et la structure membranaire des bactéries. Un dispositif de piégeage à deux lasers a également été implémenté pour permettre l’analyse fine de l’état d’une bactérie E. coli soumise à un stress thermique. Ces résultats s’inscrivent dans une problématique de diagnostic bactérien, très sensible depuis quelques années avec l’augmentation de la résistance des bactéries aux antibiotiques. Si aucun changement n’intervient, il est prédit que les infections bactériennes constitueront la première cause de mortalité des pays développés d’ici 2050. Il est donc nécessaire d’élaborer de nouveaux outils de diagnostic plus rapides et plus accessibles afin de limiter la distribution abusive d’antibiotiques qui entraine ce phénomène de résistance Nous proposons également en dernière partie de ce manuscrit des solutions pour intégrer notre dispositif de piégeage en vue d’ouvrir la voie à de nouvelles applications dans des environnements pathogènes. / The miniaturisation of optical trapping systems allows the manipulation and analysis of nano and micron sized objects. These objects can be inert (silica or polystyrene beads, carbon nanotubes) or biological (viruses, bacteria, cells). Integrated trapping devices on chips have the advantage of handling single objects reversibly and at very low power. This makes them very suitable for the study of biological objects, often more fragile and traditionally studied at the population level in microbiology methods. This work deals with the study of different bacteria trapped on 1D and 2D photonic crystals. We first demonstrate the trapping of seven bacterial species: E. coli, B. subtilis, S. epidermidis, Y. ruckeri, N. sicca, P. putida and L. innocua. . We describe a spatial and temporal characterisation methods developed to extract information from this trapping on the size, shape, motility and membrane structure of bacteria. A trapping device with two lasers has also been implemented to allow the fine analysis of the state of an E. coli bacterium subjected to heat stress. These results falls within the issue of bacterial diagnosis, very sensitive in recent years with the increase of the resistance of bacteria to antibiotics. If no change occurs, it is predicted that bacterial infections will be the main cause of death in developed countries by 2050. It is therefore necessary to develop new, faster and more accessible diagnostic tools to limit the large distribution of antibiotics leading to this phenomenon of antibioresistance. We also propose in the last part of this manuscript solutions to integrate our trapping device in order to pave the way for new applications in pathogenic environments.

Les travaux de cette thèse apportent une contribution théorique et expérimentale aux études portant sur les cristaux photoniques planaires à fente pour l'exaltation locale du champ électromagnétique. Nous avons étudié la propagation de lumière lente dans des cristaux photoniques à fente en réalisant une ingénierie de dispersion et le confinement de la lumière dans des micro-cavités à fente structurée. Nous avons pour cela effectué des calculs 3D pour optimiser les propriétés de dispersion des cristaux photoniques en structurant la fente elle-même. Cette optimisation a permis d'observer un renforcement de la localisation du champ électromagnétique dans la fente en vue d'un remplissage par des matériaux fortement non linéaires. Nous avons développé un procédé de fabrication pour les cristaux photoniques dans des structures en silicium sur isolant basé sur la lithographie électronique et la gravure plasma. Le régime de lumière lente a été caractérisé expérimentalement et nous a permis de valider la méthode d'optimisation choisie. Des facteurs de ralentissement supérieurs à 10 ont été mesurés dans des dispositifs allant jusqu'à 1 mm de long. Des micro-cavités à fente avec des facteurs de qualité supérieurs à 20000 sur substrat SOI ont été réalisées. Nous avons effectué des mesures d'optique non linéaire dans des guides à cristaux photoniques à fente et avons montré que les effets non linéaires du silicium sont réduits malgré l'exaltation du champ électromagnétique comparés à ceux présents dans des guides à cristaux photoniques standards. Nous avons enfin étudié les pertes le désordre dans ce type de structure par mesures de réflectométrie optique à faible cohérence. / Abstract : The work described in this PhD thesis brings theoretical and experimental contributions to the study of planar slot photonic crystals for a local exaltation of the electromagnetic field. The propagation of slow light in slot photonic crystal waveguides is investigated by achieving dispersion engineering and confinement of light in slotted microcavities. We have performed 3D calculations to optimize the dispersion properties of the photonic crystals by tailoring the slot itself. This allowed the observation of an enhancement of the field localization aiming at the infiltration of the slot by highly nonlinear materials. We achieved a fabrication process of slot photonic crystal waveguides in silicon on insulator (SOI) structures based on electron bearn lithography and plasma et­ ching. Slow light measurements are reported and validate the optimization method. Group indices higher than 20 have been measured in 1 mm long deviees. Slot photonic crystal microcavities with quality factors higher than 20,000 have been achieved on SOI. We have performed nonlinear optical measurements and revealed that silicon nonlinear effects in slot photonic crystal waveguides are reduced compare to standard waveguides, despite the increase of the exaltation of the electromagnetic field. Finally, we have investigated disorder-induced losses in this type of waveguides by opticallow coherence reflectrometry.

Le premier volet de ce document est dédié à l'obtention des grandeurs effectives d'un cristal photonique monodimensionnel. La méthode employée consiste à calquer les propriétés en dispersion et en réflexion d'un cristal sur celles d'un milieu homogène anisotrope. Cette nouvelle approche permet d'atteindre les permittivité et perméabilité effectives du cristal sous la forme d'un couple de tenseurs. Leur expression indique un critère nécessaire pour réaliser l'adaptation d'impédance entre un cristal et le milieu ambiant. Celui-ci est alors étendu puis appliqué aux cristaux bidimensionnels.<br />Le second volet est l'étude du guidage de modes quasi-TEM uniformes dans un guide métallique au moyen de parois structurées. Les structures sont des surfaces hard analysées grâce à la méthode modale tandis que les guides d'ondes associés le sont par une extension de la méthode des sources fictives. Cartes de champs et relations de dispersion révèlent le comportement des surfaces et guides envisagés.

Ce travail de thèse est axé sur l'utilisation de modes de Bloch lents à pertes rayonnées verticales, dans des cristaux photoniques membranaires 1D (réseau de fentes) et 2D (réseaux de trous) en InP, pour la réalisation de réflecteurs en espace libre. L'intérêt premier de tels réflecteurs réside dans leur compacité verticale (une seule couche épitaxiée), comparés aux miroirs de Bragg traditionnels, mais également dans le contrôle de la polarisation qu'ils autorisent. Les règles de conception de ces réflecteurs, ainsi que leurs procédés de fabrication et de caractérisation sont présentés. Les résultats expérimentaux obtenus sont en bon accord avec la théorie.<br /><br />Ces réflecteurs membranaires à cristaux photoniques ont ensuite été intégrés dans des cavités Fabry-Pérot verticales, où ils remplacent le miroir de Bragg supérieur. Un dispositif passif (filtre MOEMS accordable électriquement, compact et polarisé) et un dispositif actif (VCSEL à puits quantiques, émettant à 1.55µm, compact et polarisé) ont été réalisés.<br /><br />Enfin, des cavités Fabry-Pérot ultimes, uniquement à base de ces réflecteurs à CP, sont étudiées. Le concept est validé en utilisant deux échantillons différents placés en vis-à-vis à l'aide d'un montage piézo-électrique. Ensuite, un démonstrateur passif monolithique, montrant une sélectivité et une compacité verticale sans précédents.<br />En outre, une étude théorique démontre la capacité des miroirs à CP à influer très fortement sur la vitesse d'expansion latérale de la lumière dans les cavités Fabry-Pérot, ce qui ouvre la voie à de toutes nouvelles applications.

Les cristaux photoniques sont des structures artificielles dont la modulation périodique de l'indice de réfraction permet d'exalter les phénomènes non linéaires. Ce travail concerne l'étude expérimentale et théorique de l'exaltation de la génération du<br />second harmonique dans les cristaux photoniques planaires à base de nitrures. Cet accroissement est la combinaison de deux processus liés à la périodicité de la constante diélectrique : i) la localisation spatiale des champs électromagnétiques ; ii) la réalisation d'une condition d'accord de phase entre les modes à ω et à 2ω. Nous verrons que la caractérisation des propriétés optiques des cristaux photoniques planaires est une étape<br />essentielle permettant de déterminer les conditions angulaires et fréquentielles qui satisfont aux conditions de quasi-accord de phase. Une fois ces conditions déterminées, nous décrirons la nouvelle méthode de modélisation basée sur le formalisme de la<br />matrice de diffusion qui a permis de mettre en évidence une exaltation du second harmonique par 106. Ces résultats théoriques seront ensuite comparés aux résultats issus de notre dispositif expérimental où un accroissement géant par 104 de l'intensité du champ du second harmonique a pu être mesuré lorsque les conditions de quasi-accord de phase sont réalisées. Cette étude met en évidence la potentialité des cristaux photoniques pour les applications dans le domaine du bleu – proche UV.

Ce travail de thèse constitue une contribution théorique et expérimentale aux études sur les effets d'optique non linéaires dans les cristaux photoniques en semiconducteurs III-V. Les cristaux photoniques sont des matériaux artificiels présentant une modulation périodique de l'indice de réfraction à l'échelle de la longueur d'onde de la lumière. En contrôlant les paramètres physiques de ces structures (périodicité, motifs, facteur de remplissage en air...), il est possible de réaliser une véritable ingénierie des propriétés dispersives de la matière pour, par exemple, empêcher la lumière de se propager dans toutes les directions de l'espace. L'objectif de cette thèse est de combiner les propriétés dispersives uniques des cristaux photoniques aux propriétés non linéaires très intéressantes des semiconducteurs III-V afin d'exalter les interactions non linéaires entre la lumière et la matière. Nous verrons que les cristaux photoniques 1D et 2D sont adéquats pour obtenir des effets non linéaires du second ordre (génération de seconde harmonique) efficaces sur de courtes distances car ils permettent de réaliser la condition d'accord de phase dans des matériaux fortement non linéaires comme l'AlxGa1-xAs tout en ralentissant la lumière. Nous montrerons également que les cristaux photoniques 2D en semiconducteurs III-V permettent de réaliser les briques de bases actives pour le traitement du signal tout optique comme des sources lasers, des amplificateurs, des commutateurs ultrarapides...

Le contrôle 3D de la lumière est réalisé, à l'échelle de la longueur d'onde, dans des circuits photoniques intégrés. La brique élémentaire choisie dans cette étude est le cristal photonique (CP) membranaire qui, par ses propriétés de dispersion, permet un contrôle de la lumière à la fois dans le plan (optique guidée) et hors du plan (dispositifs adressables par la surface). En particulier, l'exploitation de modes de Bloch situés au point Gamma de la courbe de dispersion (k//=0) permet l'émission de la lumière dans la direction verticale. Dans cette étude, nous nous sommes focalisés sur des cristaux photoniques à réseaux de micropiliers, comme alternative aux réseaux de trous, mais également en envisageant la possibilité d'intégrer ces structures dans des systèmes microfluidiques, les fluides ayant la capacité de circuler au travers des réseaux de piliers. Nous décrirons dans une première partie, des dispositifs à CP à émission par la surface. Nous démontrerons, pour la première fois, que l'utilisation de modes fortement résonants permet de réaliser des microlasers à réseaux de piliers en InP. Les modes faiblement résonants peuvent être utilisés pour la réalisation de miroirs à CP et de microcavités Fabry-Pérot constituées uniquement de tels miroirs. Les facteurs de qualité obtenus (>10000) rendent possible la fabrication de nouveaux types de VCSEL. Dans une seconde partie, nous nous intéresserons à la problématique de l'intégration de ces dispositifs dans un circuit photonique 3D. Tout d'abord, nous expliquerons comment il est possible d'optimisation le diagramme de rayonnement des composants. Ensuite, nous étudierons le couplage de dispositifs à cristaux photoniques avec un ou deux guides d'onde ruban en silicium. De fortes efficacités de couplage sont obtenues en simulation FDTD 3D (95%). Ces dispositifs en cours de fabrication en collaboration avec le LETI-CEA de Grenoble permettront de démontrer expérimentalement ce couplage.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte du contrôle de l'émission spontanée de fluorescence par des structures photoniques. Elle porte sur l'étude de cristaux photoniques et plasmoniques auto-organisés ainsi que sur le couplage de nanocristaux semi-conducteurs photoluminescents aux cristaux plasmoniques. La démarche adoptée consiste en une description des phénomènes observés par le biais de modèles simples permettant de mettre l'accent sur leur interprétation physique. Les structures étudiées sont réalisées à partir d'opales de silice auto-organisées. Il s'agit d'agencements 3D de micro-sphères de silice. Du fait de leur périodicité, ces objets présentent des propriétés optiques particulières et sont appelés "cristaux photoniques". Les outils théoriques permettant de comprendre leurs propriétés sont présentés et utilisés pour interpréter des résultats expérimentaux dont la compréhension n'était jusque là pas entièrement établie. Des "cristaux plasmoniques" sont aussi fabriqués en déposant une couche d'or sur des opales. Ici, ce sont les propriétés des plasmons polaritons de surface - des modes électromagnétiques de surface se propageant à la surface de métaux tels que l'or, l'argent et le cuivre - qui sont modifiées par la périodicité. Ces surfaces d'or aux structures micrométriques ont des propriétés plasmoniques originales et très large-bandes. Elles peuvent être réalisées sur des surfaces de dimensions macroscopiques, ce qui présente un intérêt pour des applications telles que le photovoltaïque, les LEDs, etc. Enfin, le couplage en champ proche de la photoluminescence de nanocristaux de CdSe/CdS aux cristaux plasmoniques est étudiée. La ré-émission des plasmons en champ lointain par le réseau est mise en évidence et un modèle est proposé pour quantifier le taux d'extraction associé.