Le stockage de l’énergie constitue un enjeu majeur pour garantir la sécurité des réseaux électriques et favoriser le développement des énergies renouvelables. Véritable alternative aux stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), le stockage d’énergie par air comprimé (CAES pour Compressed Air Energy Storage) fait partie des technologies les plus intéressantes. Dans les systèmes classiques utilisés actuellement, l’énergie de compression est perdue et l'air est préchauffé lors de la détente. Il en résulte une émission de CO2 et un rendement faible de l’ordre de 50%. Le système AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) vise à pallier ces deux inconvénients en stockant la chaleur de compression dans un régénérateur thermique et en la restituant avant la détente dans la turbine. Compte tenu des fortes sollicitations thermiques, mécaniques et cycliques que subit cet ouvrage, la conception d'un revêtement capable d'assurer la stabilité, l'isolation et l'étanchéité constitue un enjeu principal du système. Ce point crucial constitue l'axe principal autour duquel s'articule cette thèse. Une campagne d'essais en laboratoire a été mise en oeuvre pour étudier les comportements thermique, hydraulique et mécanique de tous les matériaux impliqués dans un régénérateur souterrain creusé dans une roche cristalline. Pour l'air humide, dont le comportement thermodynamique est mal connu dans la gamme des fortes températures et des pressions envisagées, un nouveau modèle théorique a été développé. De la même façon, un modèle thermo-hydro-mécanique a été développé pour un milieu poreux déformable saturé traversé par un fluide compressible. L'intégration de ce modèle dans un logiciel de calcul de structures par éléments finis a permis d’examiner plusieurs configurations de revêtement et d'étudier l’effet des mécanismes de couplage sur le champ de température et sur la stabilité mécanique. Afin de valider les développements effectués et les solutions de revêtement proposées, un prototype d’un régénérateur à échelle réduite combinant pression et température a été construit dans le laboratoire LITEN du CEA à Grenoble. Les résultats des expériences et des modélisations effectuées ont mis en évidence l'importance du phénomène de convection dans les briques isolantes du revêtement et la nécessité d'assurer l'étanchéité du système avant l'isolation thermique. / Energy storage is a major challenge to ensure the safety of electrical networks and to promote the development of renewable energies. Veritable alternative to Pumped Storage Hydropower (PSH), the energy storage using compressed air (for CAES Compressed Air Energy Storage) is one of the most interesting technologies. In conventional systems currently in use, the compression energy is lost and the air is preheated during the expansion phase. This results in emission of CO2 and a low efficiency of about 50%. The AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) aims to overcome these two drawbacks by storing the heat of compression in a thermal regenerator and restoring it before expansion in the turbine. Given the high thermal, mechanical and cyclic loading subject to the regenerator, the design of a lining capable of ensuring stability, insulation and sealing is a main issue of the system. This crucial point is the main axis around which this research is articulated. A laboratory testing campaign has been conducted to study the thermal, mechanical and hydraulic behavior of all materials involved in the underground regenerator excavated in a crystalline rock. For the humid air, whose thermodynamic behavior is not well studied within the range of the high foreseen temperatures and pressures, a new theoretical model was developed. In the same way, a thermo-hydro-mechanical model was developed for a deformable porous medium saturated with a compressible fluid. The implementation of this last model into a finite element numerical code was used to examine several lining configurations and to study the effect of coupling mechanisms on the temperature field and the mechanical stability. To validate the developments made and the proposed lining solutions, a prototype of a small scale regenerator combining temperature and pressure was built in the LITEN laboratory of CEA in Grenoble. The results of the conducted experiments and modeling revealed the importance of the convection phenomenon in the insulating bricks of the lining and the need to seal the system before thermal insulation.

Dans cette thèse, nous étudions d’un point de vue théorique les propriétés physiques de nanostructures couplées à des cavités micro-ondes. L’électrodynamique quantique (QED) en cavité en présence d’une boîte quantique s’est révélée être une technique expérimentale puissante, permettant d'étudier cette dernière par des mesures photoniques en plus des mesures de transport électronique conventionnelles. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser le champ micro-ondes de la cavité afin d’extraire des informations supplémentaires sur les propriétés des conducteurs quantiques : le coefficient de transmission optique est directement lié à la susceptibilité électronique de ces conducteurs quantiques. Nous appliquons ce cadre général à différents systèmes mésoscopiques couplés à une cavité supraconductrice micro-ondes comme  une jonction tunnel, une boîte quantique couplée à des réservoirs, un fil topologique et un anneau supraconducteur. La QED en cavité peut être utilisée pour sonder, par l'intermédiaire de mesures photoniques, la dépendance en fréquence de l’admittance du puits quantique couplé à la cavité micro-ondes. En ce qui concerne le fil topologique, nous avons montré que la cavité permet de caractériser la transition de phase topologique, l'émergence de fermions de Majorana, ainsi que la parité de l'état fondamental. Pour l'anneau supraconducteur, nous étudions par l'intermédiaire de la réponse optique de la cavité l’effet Josephson et le passage à l'effet Josephson fractionnaire, qui est associé à l'apparition de fermions de Majorana dans le système. Le cadre théorique proposé dans cette permet de sonder de manière non-invasive un large éventail de nanostructures, des boîtes quantiques aux supraconducteurs topologiques. En outre, il donne de nouvelles informations sur les propriétés de ces conducteurs quantiques, informations non accessibles via des expériences de transport. / In this thesis, we study theoretically various physical properties of nanostructures that are coupledto microwave cavities. Cavity quantum electrodynamics (QED) with a quantum dot has been proven to be a powerful experimental technique that allows to study the latter by photonic measurements in addition to electronic transport measurements. In this thesis, we propose to use the cavity microwave field to extract additional information on the properties of quantum conductors: optical transmission coefficient gives direct access to electronic susceptibilities of these quantum conductors. We apply this general framework to different mesoscopic systems coupled to a superconducting microwave cavity, such as a tunnel junction, a quantum dot coupled to the leads, a topological wire and a superconducting ring. Cavity QED can be used to probe the finite frequency admittance of the quantum dot coupled to the microwave cavity via photonic measurements. Concerning the topological wire, we found that the cavity allows for determining the topological phase transition, the emergence of Majorana fermions, and also the parity of the ground state. For the superconducting ring, we propose to study the Josephson effect and the transition from the latter to the fractional Josephson effect, which is associated with the emergence of the Majorana fermions in the system, via the optical response of the cavity. The proposed framework allows to probe a broad range of nanostructures, including quantum dots and topological superconductors, in a non-invasive manner. Furthermore, it gives new information on the properties of these quantum conductors, which was not available in transport experiments.

Les accélérateurs de particules hyperfréquences sont au cœur de projets d’envergure aux visées scientifiques (comme l’European Spallation Source) ou énergétiques (comme le réacteur hybride MYRRHA). Pour ces applications, les cavités résonnantes composant ces accélérateurs doivent atteindre des champs accélérateurs très importants. Elles ont alors besoin d’une grande puissance RF. Le coupleur de puissance doit permettre d’injecter cette puissance dans la cavité tout en garantissant une grande fiabilité. L’étude d’un coupleur à 704,4MHz a été réalisée. Les comportements radiofréquences, thermiques et mécaniques ont été modélisés pour une puissance de 50kW en réflexion toutes phases. Les performances simulées permettent d’envisager son utilisation comme coupleur pour les cavités elliptiques de l’ADS MYRRHA. L’industrialisation d’un tel coupleur a également été étudiée. Cette étude a donné lieu à la fabrication de deux prototypes. L’étude d’un coupleur à 352MHz a également été réalisée afin de répondre aux exigences de la cavité SPOKE ESS. Un nouveau processus d’assemblage, impliquant une méthode de précontrainte de la céramique, sera exposé. Ce processus diminue le nombre d’étapes de fabrication et renforce mécaniquement la fenêtre du coupleur. Cette thèse a également permis la validation de l’extension aux ondes progressives d’un logiciel de simulation 3D du multipactor : Musicc3D. Les simulations et les mesures ont été favorablement comparées pour les coupleurs SPIRAL2 et XFEL. / Nowadays, the number of projects aiming at building high intensity proton linear accelerators is increasing thanks to a large field of applications: particles & nuclear physics, spallation sources and some applications in material sciences, biology and nuclear waste reprocessing. All these linear accelerator projects are based on superconducting technology that allows high accelerating gradients in continuous mode. The RF power coupler is one of the main components of the accelerator. It is designed to transmit the radio frequency power from the waveguide at room temperature to the cavity at 4 Kelvin with high reliability. In this thesis, a study of a 704.4MHz power coupler was carried out. The RF, thermal and mechanical behaviors of the coupler were simulated for 50kW full reflection continuous wave. This power coupler could be used as RF injector for MYRRHA elliptical cavities. The fabrication process has been established and two prototypes were build. A study of a 352MHz power coupler was also carried out to fulfill ESS Spoke cavities needs. The obtained design satisfies the specifications and lowers the maximum electric field in the power coupler window compared to existing design. Then a new fabrication process was developed using prestressed ceramic. Brazing operations have halved with this new process. It was shown that the prestressed could enhance the strengths ceramic. The last study in this thesis consisted in validating an extension to progressive waves of 3D simulation software of Multipacting, Musicc3D. The results obtained were favorably compared to the measurements for SPIRAL2 and XFEL power couplers.

Les effets Pockels de deuxième ordre et les effets Kerr de troisième ordre font partie des effets importants exploités pour la modulation de la lumière et la génération de sources dans les plateformes technologiques de la photonique intégrée. Pour tirer parti de ces non-linéarités en photonique au silicium, l'utilisation de structures optiques sub-longueurs d'onde a été explorée. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'est concentré sur deux aspects principaux, notamment : 1) L’exploration d'un nouveau schéma de cavité photonique pour tirer profit de l'effet Pockels électro-optique dans les structures de silicium contraint pour la réalisation de modulateurs ultra-rapides à faible consommation ; 2) L’exploration d'une nouvelle famille de guides d'ondes conduisant à une satisfaction automatique des lois de conservation énergie/vecteur d’onde pour la génération de peignes de fréquence Kerr au sein des plateformes photoniques intégrées (notamment silicium).Pour améliorer les performances des modulateurs optiques Si résonants intégrés, nous avons mis au point un nouveau résonateur à cavité de Fano qui, grâce à une ingénierie sub-longueur d'onde (λ=1.55µm), a permis d'obtenir simultanément un taux d'extinction élevé (23 dB) avec un faible facteur Q de seulement 5600, et caractérisé par une très faible consommation électrique inférieure à 5 fj/bit quand on utilise l'effet de modulation par dispersion plasma des porteurs libres. Nous avons étendu la méthode à la conception d'une structure de modulation Fano en silicium contraint dont les performances souffrent traditionnellement de la faible amplitude de l'effet Pockels induit par la déformation exploitée et des pertes micro-ondes considérables dues à des composants de grande surface. Au moyen du résonateur Fano ultra-compact à structuration sub-longueur d'onde, une amélioration d'environ 200 fois/60 fois (facteurs Q de 32000/5600) du rapport d'extinction de modulation avec la même tension de commande a été théoriquement prévue. Pour améliorer l'exploitation des non-linéarités Kerr des structures silicium, nous avons proposé une nouvelle famille de guides d'ondes optiques pour satisfaire automatiquement les lois de conservation de l'énergie et du vecteur d’onde des procédés de mélange à quatre ondes (FWM). La conception de la section des guides d'ondes est basée sur un principe hérité des puits quantiques et des concepts hérités des structures sub-longueur d'onde pour la réalisation des profils d'indice particuliers. En nous basant sur ces guides d'ondes spécifiques en terme de dispersion chromatique, nous les avons appliqués à la modélisation des micro peignes de fréquence (en utilisant des résonateurs à micro anneaux) en résolvant l’équation non linéaire pertinente (Lugiato-Lefever) pour analyser de façon dynamique le processus de génération du spectre des peignes à solitons dans diverses configurations. En complément de ce modèle, les guides d'ondes sub-longueur d'onde à accord de phase automatique ont été considérés pour étendre la largeur de bande des peignes de fréquence à solitons, démontrant une largeur de bande élargie et une meilleure flexibilité dans la réalisation des peignes de fréquence relativement aux démonstrations des travaux précédents. Dans l'ensemble, l'une des caractéristiques dominantes de notre étude a été de contribuer à montrer que les structures photoniques sub-longueur d'onde pouvaient apporter des solutions concrètes aux problèmes utiles à la réalisation de fonctions non linéaires sur puce. Les nano-structures sub-longueur d’onde permettent non seulement une amélioration des circuits photoniques passifs, sujet intensivement développé depuis dix ans, mais ont également un fort potentiel pour la réalisation des fonctions actives. Cette boîte à outils de structures sub-longueur d'onde est décisive dans la pratique pour la réalisation concrète de fonctions optiques nonlinéaires intégrées, en particulier en photonique silicium. / Second-order Pockels and the third-order Kerr effects are among the important effects exploited for light modulation and light generation in integrated photonic platforms. To take advantage of these nonlinearities in silicon photonics, especially due to the lack of second order effect in bulk Si, the use of subwavelength optical structures is explored. In this context, this thesis work has focused on two main aspects, including: 1) Exploration of a novel photonic cavity scheme to take benefit of the electro-optical Pockels effect in strained Si structures for the realization of ultra-fast lower-consumption compact silicon modulators; 2) Exploration of a new family of waveguides leading to an automatic satisfaction of energy/momentum conservation for the purpose of Kerr frequency comb generation in integrated photonic platforms. For improving the performances of integrated silicon resonant optical modulators, we have developed a novel Fano cavity resonator enabled by sub-wavelength engineering, leading simultaneously to high extinction ratio (23 dB) with a small Q factor of only 5600, and characterized by an ultra-low power consumption of less than 5 fj/bit when relying on the free carrier plasma dispersion effect. We have further extended the method to design a strained silicon Fano modulation structure which performances traditionally suffer from the weak amplitude of the exploited strain-induced Pockels effect and from considerable microwave losses due to large footprint components. By means of the proposed ultra-compact subwavelength structured Fano resonator, around 200-fold/60-fold (Q factor of 32000/5600) improvement on the modulation extinction ratio with the same driven voltage was theoretically predicted. For improving the exploitation of silicon Kerr nonlinearities, we have proposed a novel family of graded index optical waveguides intending to automatically fulfill the energy and momentum conservation laws of four-wave mixing processes. The design of the waveguide section is based on a principle inherited from quantum wells of wave mechanics and concepts inherited from subwavelength structures for the practical realization of the rather particular index profiles. Standing on these specific waveguides in term of light dispersion, we have applied them to the modeling of frequency micro-combs (e.g. frequency combs generated using micro-ring resonators and a CW light source) by solving the nonlinear relevant equations (Lugiato-Lefever) to dynamically analyze the soliton comb spectrum generation process in various configurations. On top of this model, the specifically automatically phase-matched sub-wavelength-enabled graded-index waveguides were considered to trim and extend the bandwidth of silicon soliton frequency combs, demonstrating enlarged bandwidth and improved spectrum design flexibility with respect to previous works. Overall, one of the dominant features of our study was to contribute to showing that sub-long wavelength photonic structures could provide concrete solutions to problems useful for the realization of on-chip non-linear functions. Subwavelength/nano structures not only benefit to passive photonic circuits which have been intensively developed in the past ten years, but also show strong potentials in the realization of active functions. This subwavelength toolbox is decisive in practice for the concrete achievement of the objectives pursued.

Le mode de rupture des alliages CFC est généralement de type ductile par des mécanismes de germination, croissance et coalescence de cavités internes micrométriques et peut être modifié par l’irradiation. L’irradiation neutronique de ces alliages conduit à la création de défauts cristallins qui induisent un durcissement, une perte de la capacité d’écrouissage, une chute très importante de la ténacité et un mode de déformation localisé à l’échelle intragranulaire. La compréhension des mécanismes physiques élémentaires de la rupture ductile est indispensable au développement de modèles quantitatifs pour prédire la ténacité des matériaux CFC irradiés. Pour cela, trois différents points ont été étudiés dans cette thèse : (1) L’influence de la localisation de la déformation induite par l’irradiation sur la croissance et la coalescence de cavités : des expériences modèles in-situ MEB de croissance et coalescence de cavités micrométriques dans des matériaux irradiés aux protons ont été réalisées. Les résultats montrent un effet limité de la localisation pour des cavités de la taille des grains et une diminution de l’influence de la localisation avec l’augmentation du niveau de déformation pour des cavités intragranulaires. Par conséquent, les modèles homogénéisés de matériaux poreux développés pour les matériaux non irradiés pourraientt être utilisés en première approximation pour modéliser la rupture ductile des matériaux irradiés. (2) Le comportement sous chargement mécanique de nano-porosités d’irradiation et leur contribution éventuelle à la rupture : l’étude expérimentale et numérique de la déformation de cavités dans un matériau nanoporeux a permis de mettre en évidence la très forte hétérogénéité de la déformation à cette échelle et l’absence d’effet de taille significatif sur la déformation des cavités de diamètre supérieur à 10 nm en traction simple. (3) Le développement de modèles homogénéisés de matériaux poreux valides aux fortes porosités : deux nouveaux critères de coalescence obtenus par analyse limite sont proposés et validés par comparaison à des simulations d’analyses limites numériques, dans le cas de cavités de type fissures et de cavités ellipsoïdales. / The failure mode of FCC alloys is generally ductile through nucleation, growth and coalescence of micrometric voids, and can be modified by irradiation. Neutron irradiation of these alloys leads to the creation of crystalline defects that induce hardening, loss of work hardening capability, a very large drop in fracture toughness and a heterogeneous deformation mode at the grain scale. Understanding the elementary physical mechanisms of ductile fracture is essential for the development of quantitative models to predict fracture toughness of irradiated FCC materials. Thus, in this thesis, three different subjects have been studied. (1) Influence of the localization of deformation induced by irradiation on void growth and coalescence: Model experiments of growth and coalescence of micrometric voids in proton-irradiated materials have been performed based on SEM in-situ tests. Results show a limited effect of localization for grain-size voids and a decreasing influence of localization with increasing level of deformation for intragranular voids, so that homogenized models of porous materials developed for unirradiated materials may be used as a first approximation to model the ductile fracture of irradiated materials. (2) The behavior under mechanical loading of nanovoids generated under irradiation and their possible contribution to fracture: The experimental and numerical study of void deformation in a nanoporous material highlights the very strong heterogeneity of the deformation at this scale and the absence of significant size effect for voids of diameter greater than 10 nm under tensile loading. (3) Development of homogenized models for porous materials valid at high porosities: Two new coalescence criteria obtained by limit analysis are proposed and validated by comparison with numerical limit analysis simulations, in the case of penny-shaped cracks and ellipsoidal voids.

Les techniques de biodétection optique qui utilisent les résonances d'une cavité à géométrie circulaire ou sphérique ont démontré une sensibilité exceptionnelle. Ces résonances à haut facteur de qualité sont connues sous le nom de modes de galerie. Toutefois, les configurations actuelles de ces biocapteurs sont difficiles à intégrer dans un dispositif simple et peu dispendieux. La stratégie de détection présentée emploie des microsphères fluorescentes comme cavité résonnante, ce qui simplifie grandement les exigences pour l'excitation de ces modes. Notre méthode d'analyse spectroscopique compare le spectre expérimental d'une microsphère fluorescente contenant des modes de galerie au spectre prédit par le modèle de Chew. Cette étape permet d'obtenir l'indice de réfraction de solutions aqueuses homogènes, contenant de l'isopropanol, l'éthanol et du methanol. Pour des concentrations inférieures à 0.3 M, les mesures sont en accord avec les techniques de réfractométrie standard à l'intérieur d'un écart-type. Dans une solution non homogène, la méthode de détection repose sur des déviations par rapport au modèle de Chew qui indiquent la présence d'analytes biologique sur la surface de la microsphère. Les concentrations limites atteintes sont de l'ordre de 10 //g/ml pour des protéines et de 6 x 106 bactéries/ml pour des bactéries de type E. coli. Finalement, la caractérisation du biocapteur avec une pince optique permet d'estimer la limite supérieure de sensibilité de la méthode aux environs de 5 E. coli par microsphère et de la mettre en contexte par rapport aux autres technologies de biodétection.

La détection de cavités en milieu urbain est importante pour prévenir différentes causes d'accidents liés à des possibles effondrements. Les cavités sont aussi des cibles d'intérêts pour les archéologues, car les cavités oubliées sont de potentielles sources de matériel révélant des usages passés. Ces cavités sont de tailles différentes, d'origine anthropique ou non, en milieu extérieur ou sous des bâtiments. Leur taille, ainsi que les propriétés physiques du milieu extérieur dans lequel elles se situent, permettent l'utilisation de différentes méthodes géophysiques. Nous nous sommes concentrés sur l'utilisation de deux méthodes géophysiques, le radar de sol et la tomographie par mesures de résistivité électrique, pour localiser et déterminer les cavités métriques à sub-métrique dans le proche sous-sol (6 premiers mètres). Les mesures de radar de sol sont sensibles aux variations de permittivité diélectrique entre la cavité et le milieu extérieur. Nous montrons par des modélisations numériques un effet sur l'amplitude de la réfléchie en fonction du déport qui permet de discriminer entre une cavité vide et une cavité pleine d'eau. Nous étudions aussi l'amplitude de la réfléchie à incidence normale sur le toit d'une cavité à section carrée en fonction de sa profondeur et de sa taille. Nous mettons en évidence une relation logarithmique profondeur versus taille de cavité pour laquelle l'amplitude de la réfléchie est maximum pour les fréquences de prospection typiques du radar de sol. Par ailleurs nous confirmons qu'alors que les mesures radar permettent de déterminer avec précision les dimensions d'une anomalie dans un sous-sol homogène et peu conducteur, les mesures de résistivité électrique permettent elles de déterminer des zones de hautes résistivités à l'emplacement des cavités. Nous couplons ces deux méthodes géophysiques dans deux études de cas, en utilisant la profondeur des interfaces déterminées sur des radargrammes pour contraindre les modèles de résistivité inversés par l'ajout d'information a priori. / The detection of cavities in urban areas is important to prevent different causes of accidents related to possible collapse. The cavities are also interesting targets to archaeologists because forgotten cavities are potential sources of material revealing past uses. These cavities are of different sizes, of anthropogenic origin or not, in an outdoor setting or under buildings. Their size and the physical properties of the external environment in which they are located, allow the use of different geophysical methods. We focused on the use of two of them, Ground Penetrating Radar (GPR) and Electrical Resistivity Tomography (ERT), to locate and determine cavities in the near subsurface (first 6 meters). GPR data are sensitive to variations in dielectric permittivity between the cavity and the external environment. We show by numerical modelling an effect on the amplitude of the reflected signal depending on the offset which could enable discrimination between an empty cavity and a cavity filled with water. We also study the amplitude of the reflected wave at normal incidence on the roof of a cavity of square cross section in terms of its depth and size. We show a logarithmic relationship between the cavity size and its depth at which the amplitude of the reflection is maximum for frequencies of typical exploration with GPR. Furthermore, we confirm that while GPR data determine accurately the size of an anomaly in homogeneous low conductive medium, ERT helps to determine areas with high resistivity at the location of cavities. We combine these two geophysical methods in two case studies, using the depth of interfaces detected on radargrams as a priori information to constrain the inversion of electrical resistivity models.

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.

Ce mémoire est consacré à l'élaboration, au développement et aux applications de la Méthode des Sources Fictives dans le cas d'objets tri-dimensionnels placés dans des milieux stratifiés. Un effort important a été consacré au développement d'un algorithme de calcul rapide de la fonction de Green 3D des milieux stratifiés. Dans le cadre d'applications à la plasmonique en particulier, où la modélisation est délicate à cause des variations spatiales des champs très rapides, notre méthode s'est avérée très efficace.<br /> Afin de concevoir et d'optimiser des antennes planes et compactes dans le cadre d'applications pour satellites, nous utilisons la méthode des éléments finis. Nous optimisons des structures métalliques constituées d'une cavité fermée par une grille périodique, pour obtenir des antennes compactes, ayant une efficacité de surface très élevée, et pouvant supporter de fortes puissances. Ce type d'antenne est destiné à servir d'élément de base pour les antennes réseau à rayonnement direct (DRA, Direct Radiating Array), ou comme source d'alimentation pour des réflecteurs.

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.