L'étude des propriétés optiques des matériaux nanostructurés a récemment connu un engouement croissant dû à leur capacité à manipuler la lumière. Les cristaux photoniques sont des matériaux dont l'indice de réfraction est modulé périodiquement à l'échelle de la longueur d'onde. Ils peuvent interdire la propagation de la lumière dans certaines gammes de fréquences et présenter de fortes dispersions spatiales qui conduisent à des phénomènes de réfraction anormaux. Les métamatériaux quant à eux sont des assemblages d'éléments microscopiques, métalliques ou diélectriques, qui se comportent à l'échelle macroscopique tels des milieux homogènes aux propriétés optiques hors du commun.<br /><br />Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et numérique de ces structures, avec pour objectif d'apporter de nouvelles solutions pour un contrôle accru de la lumière. Nous commençons par étudier le confinement de la lumière par des défauts structurels dans des cristaux photoniques à base d'opales, qui sont des empilements de sphères diélectriques, et proposons divers motifs de cavités résonantes et de guides d'ondes monomodes. Dans un second temps, nous considérons la propagation de faisceaux dans des cristaux photoniques planaires sans défaut. Nous démontrons la grande flexibilité offerte par les cristaux photoniques à gradient pour courber la trajectoire de la lumière et proposons une approche pratique pour la coupler efficacement à des guides d'ondes externes. Finalement, nous étudions les propriétés optiques des métamatériaux à base de tiges diélectriques et montrons rigoureusement que leurs résonances microscopiques induisent une permittivité et perméabilité toutes deux dispersives en fréquence qui peuvent être placées dans le domaine optique. Ces travaux ouvrent de nombreuses opportunités pour le contrôle de l'émission et de la propagation de la lumière et peuvent être exploités dans de nombreux domaines tels que les télécommunications, les Sciences de la Vie et l'énergie solaire.

Les diodes électroluminescentes (LEDs) bleues ou blanches actuelles sont constituées de couches épitaxiales planaires, essentiellement à base de GaN. Sans autres opérations technologiques, la réflexion totale interne aux interfaces réduit le nombre de photons extraits à quelques pourcents du nombre de photons émis. Cette thèse s'intéresse à un concept en rupture : les LEDs à nanofils GaN ou ZnO. Plus précisément elle vise à préciser l'intérêt de ces couches pour l'augmentation du rendement d'extraction. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à trois types de couches (taille des fils, arrangement), chacune mettant en jeu un processus d'extraction différent. La première géométrie, basée sur des fils relativement gros (rayons 50-100nm minimun) et distants vise à profiter des résonances ou du guidage optique pouvant exister au sein de chaque fil pour canaliser l'émission spontanée. Les coefficients de couplage de la couche active sur ces modes ainsi que la réflectivité des modes guidés en bout de fils ont notamment été évalué numériquement en fonction de la taille des fils. La seconde approche, issue de l'étude goniométrique de couches de fils MBE sur substrat Silicium, vise à profiter des propriétés d'indice effectif des couches de fils sublongueurs d'onde pour éviter le phénomène de réflexion totale à l'origine des faibles rendements d'extraction des couches planaires. Le modèle anisotrope numérique développé montre qu'un rendement d'extraction proche de 70% est envisageable sur ce type de couche épitaxiée sur Silicium. Enfin la troisième approche, plus prospective, vise à initier une étude sur l'émission dans des réseaux de fils agencés périodiquement.

L'optique non linéaire sur silicium a pris son essor en raison des nombreuses perspectives d'applications à l'optoélectronique en circuit intégré. Pour observer des effets non-linéaires sans travailler à des puissances trop élevées, il faut utiliser des résonateurs à très haut facteur de confinement optiques (Q/V). Les microcavités à cristal photonique bidimensionnel sont une technologie mature et planaire pour réaliser de tels résonateurs sur silicium. Au cours de cette thèse, nous avons travaillé sur une application des microcavités à cristal photonique à la détection télécom. Le silicium est en effet transparent dans cette plage de longueurs d'onde, sauf si on atteint des densités de puissance élevées, auquel cas l'absorption à deux photons intervient. Le principe du détecteur repose sur l'exaltation de absorption à deux photons grâce à la microcavité en cristal photonique. La collection des porteurs ainsi générés est assurée par une jonction latérale métal-semiconducteur-métal (MSM). Nous avons d'abord étudié numériquement la viabilité du concept du détecteur sous deux aspects : collection des porteurs libres à travers le cristal photonique et influence des métallisations sur le facteur de qualité. Les modèles standards pour le courant d'obscurité et le photocourant dans les photodétecteurs MSM ont été étendus pour tenir compte du cristal photonique. La fabrication d'une jonction MSM dans le cristal photonique a fait l’objet d’un travail approfondi en salle blanche de l’IEF. La mesure du courant circulant dans le dispositif a permis de mettre en évidence un photocourant résonnant. On retiendra que la réponse peut alors atteindre 90 mA/W et que la bande-passante est supérieure au GHz. Outre la démonstration du détecteur en elle-même, des résultats originaux ont été obtenus. Nous avons montré qu'il est possible de contrôler les densités de porteurs dans les microcavités à cristal photonique en jouant sur la polarisation externe. Enfin, le détecteur est un moyen de mesurer certaines grandeurs essentielles de la physique des microcavités sur silicium, comme l’absorption linéaire résiduelle ou la résistance thermique de la cavité. / Silicon non linear optics is of considerable interest to the scientific community because of its applications to integrated optoelectronics. In order to observe non linear phenomena at a reasonable power, one has to work with very high confinement factor (Q/V) optical resonators. As they are now a fully mastered planar technology, two-dimensional photonic crystal microcavities are an efficient way of actually obtaining such resonators in silicon. In this thesis, an application of photonic crystal microcavities to telecom wavelength detection is demonstrated. Bulk silicon is transparent at these wavelengths, except when working at very high power density. Only then, two-photon absorption (TPA) becomes significant. In our detector, TPA is enhanced in the microcavity. A metal-semiconductor-metal (MSM) junction then ensures very fast carrier collection. We studied the physics of the detector and focused on two aspects: collection of carrier in a photonic crystal, and impact of the metal on the optical quality factor. Standard models for dark current and photocurrent in MSM junctions were adapted to the photonic crystal case study. Fabrication of the photonic crystal junction was carefully undertaken and optimized in the clean room of the IEF laboratory. The current circulating in the fabricated device resonates as the same wavelength as the optical cavity. Response can be as high as 90 mA/W, and the optical-electrical bandwidth is larger than 1 GHz. In addition to the demonstration of the detector, some original results were obtained. It is possible to control the carrier concentration in photonic crystal microcavities by tuning the external polarisation of the MSM junction. Finally, the detector allows one to measure important parameters of the physics of the cavity, such as the residual linear absorption coefficient, and the thermal resistance.

Grâce à l'amélioration des technologies de fabrication, la nanophotonique, et plus particulièrement les cristaux photoniques (structures périodiques à l'échelle de la longueur d'onde) ont connu un fort développement récemment. Dans ce manuscrit, nous utilisons la microscopie en champ proche optique pour étudier de tels composants.<br />Dans la première partie de ce travail, nous utilisons la sonde locale du microscope pour imager la distribution de la lumière au sein de cavités à cristal photonique réalisées dans un semiconducteur III/V. Nous nous sommes intéressés à expliquer la formation des images optiques en champ proche et à visualiser l'influence de la sonde sur ces images. Ainsi, nous avons pu observer des levées de dégénérescence de mode de cavité et des modes de cavité invisibles en champ lointain. Enfin, pour des cavités à- mode de Bloch, nous avons pu déterminer expérimentalement les courbes de dispersion du cristal photonique.<br />Dans la seconde partie de ce travail, nous utilisons la sonde locale du microscope pour contrôler les propriétés de nanorésonateur formés à partir de cavité à cristal photonique à faible volume modal et grand facteur de qualité. Nous avons étudié l'interaction entre la sonde et le résonateur d'un point de vue théorique et expérimental. Aussi, nous avons pu montrer la complémentarité d'une mesure en mode interaction et en mode collection. De plus, nous avons proposé des fonctionnalités opto-mécaniques en champ proche optique.

Par une structuration périodique de l'espace à l'échelle de la longueur d'onde, les cristaux photoniques permettent un contrôle efficace de la lumière. Nos travaux concernent l'exploitation des propriétés de ces cristaux pour définir une cavité planaire de diode laser et pour en proposer un contrôle de l'émission. Une première partie présente l'étude de guides définis par des cristaux photoniques bidimensionnels obtenus dans une hétérostructure semi-conductrice par la réalisation de trous. Différents comportements modaux sont analysés selon le point de fonctionnement choisi. Nous montrons qu'une émission monomode de type DFB (Distributed Feedback) peut être obtenue. La deuxième partie concerne la démonstration expérimentale de diodes laser à cristaux photoniques bidimensionnels fonctionnant sous pompage électrique. Les caractéristiques spectrales et modales sont analysées et elles permettent de valider l'étude théorique. Une émission monomode avec un taux de réjection des modes secondaires supérieur à 35 dB a été obtenue. Dans la dernière partie, nous proposons une approche originale du contrôle spectral basée sur une déformation de la maille du cristal photonique selon l'axe latéral de la cavité laser. Il est alors montré qu'une telle déformation permet d'accéder à un contrôle de la longueur d'onde d'émission à 0,4 nm près, tout en restant compatible avec les contraintes technologiques liées à la réalisation d'un cristal photonique. D'autre part, nous démontrons expérimentalement que ce type de déformations peut être mis à profit pour améliorer les caractéristiques d'émission laser des dispositifs étudiés grâce à une ingénierie de la bande interdite photonique.

Ce travail de thèse s'intéresse aux propriétés optiques de deux types de structures photoniques: les cavités de cristal photonique planaire et les opales, qui sont des cristaux photoniques à trois dimensions. Dans une première partie, les propriétés de résonances de cavités de type L3 sont étudiées à l'aide d'un dispositif original de spectroscopie de diffusion, qui permet une analyse des modes de cavité en polarisation et en longueur d'onde., ainsi que la détermination de leur facteur de qualité. Les résultats expérimentaux sont comparés à des calculs de FDTD 3D, avec un bon accord. Cette nouvelle méthode est appliquée à l'étude de l'influence de la géométrie de la cavité sur les modes, et met en évidence les paramètres à varier intéressants pour une ingénierie efficace de leurs propriétés. Dans une seconde partie, les propriétés de la bande interdite d'une opale sont étudiées par goniométrie optique. Les caractéristiques structurelles de l'échantillon sont déterminées par une méthode originale fondée sur l'étude du diagramme de bandes de l'opale. Ainsi, l'indice effectif de l'opale est déterminé par centrage de l'anticroisement expérimental au point K de la zone de Brillouin. L'accord avec les mesures ellipsométriques est satisfaisant.. Cette valeur de l'indice est capitalisée par l'interprétation de deux phénomènes mal compris dans la littérature jusqu'à présent: l'observation du pic de réflexion secondaire aux angles de détection spéculaire, et l'annulation du pic de réflexion de polarisation p aux angles proches de l'angle de Brewster.

Les travaux de thèse reposent sur l'étude et le développement des structures photoniques sur niobate de lithium pour des applications capteurs de gaz. L'originalité du travail est d'étudier l'effet de l'absorption des couches de porphyrines spécifiques à la détection du benzène et déposées sur le cristal photonique sur la réponse spectrale de ce dernier. En premier lieu, une étude théorique par des méthodes numériques, maîtrisées au laboratoire d'optique (FDTD, PWE), était nécessaire pour étudier l'effet de la présence de certains gaz sur la réponse spectrale des cristaux photoniques. Nous avons montré qu'avec la structure choisie, une variation de la transmission de 23 % est obtenue lorsque le système est exposé à 50 ppm de benzène. La sensibilité de la structure au benzène est estimée à 2.3 ppm. En second lieu, nous avons étudié des réalisations en salle blanche des structures photoniques. En utilisant la méthode de gravure directe par faisceau d'ions focalisé (FIB), on a réalisé plusieurs cavités photoniques sur des guides d'ondes optiques fabriqués en collaboration avec Photline Technologies. Un banc de caractérisation automatisé (interface GPIB) en réflexion et en transmission est monté pour vérifier les prédictions théoriques. En plus, des études théoriques et expérimentales en champ proche optique ont été réalisées pour mettre en évidence la résonance des cavités gravées sur niobate de lithium. Ainsi, ces études expérimentales sont les premières sur ce type de matériau.

L'optique non linéaire traite les modifications des propriétés optiques d'un matériau induites par la propagation de la lumière. Depuis ses débuts, il y a cinquante ans, des nombreuses applications ont été démontrées dans presque tous les domaines de la science. Dans le domaine de la micro et nano-photonique, les phénomènes non linéaires sont à la fois au cœur d'une physique fondamentale fascinante et des applications intéressantes: ils permettent d'adapter et de contrôler le flux de lumière à une échelle spatiale inferieure à la longueur d'onde. En effet, les effets non linéaires peuvent être amplifiés dans des systèmes qui confinent la lumière dans des espaces restreints et avec de faibles pertes optiques. Des bons candidats pour ce confinement sont les nanocavités à cristaux photoniques (CPs), qui ont été largement étudiées ces dernières années. Parmi la grande diversité des processus non linéaires en optique, les phénomènes dynamiques tels que la bistabilité et l'excitabilité font l'objet de nombreuses études. La bistabilité est bien connue pour ces applications potentielles pour les mémoires et les commutateurs optiques et pour les portes logiques. Une réponse excitable typique est celle subjacente dans le déclanchement du potentiel d'action dans les neurones. En optique, l'excitabilité a été observée il y a une quinzaine d'années. Dans ce travail, nous avons étudié les régimes bistables, auto-oscillants et excitables dans des nanocavités semiconductrices III-V à CP. Afin de coupler efficacement la lumière dans les nanocavités, nous avons développé une technique de couplage par onde évanescente en utilisant une microfibre optique étirée. Grâce à cette technique, nous avons démontré pour la première fois l'excitabilité dans une nanocavité à CP. En parallèle, nous avons accompli la première étape vers la dynamique non linéaire dans un réseau de cavités couplées en démontrant le couplage optique linéaire entre nanocavitités adjacentes. Ceci a été réalisé en utilisant de mesures de photoluminescence en champ lointain. Un ensemble de résonateurs non linéaires couplés ouvre la voie à une famille de phénomènes dynamiques non linéaires très riches, basés sur la rupture spontanée de symétrie. Nous avons démontré théoriquement ce phénomène dans deux cavités couplées par onde évanescente. Les premières études expérimentales de ce régime ont été menées, établissant ainsi les bases pour une future démonstration de la rupture spontanée de symétrie dans un réseau de nanocavités non linéaires couplées.

Dans le but de générer de la lumière blanche, une diode bleue peut être associée à des luminophores qui convertissent une partie de la lumière bleue de la diode en une lumière visible de plus basse énergie. Classiquement, cette conversion de lumière est assurée par des luminophores de taille micronique, du YAG:Ce le plus souvent. Compte tenu de la taille des luminophores, ces couches sont diffusantes, ce qui favorise l'extraction hors de la couche haut-indice de la lumière émise. Mais cette extraction n'est pas contrôlée et entraîne des pertes d'énergie. Afin de diminuer ces pertes dues à la diffusion, notre stratégie consiste à réaliser des couches de conversion de lumière à base de nanoparticules au lieu des luminophores microniques classiquement utilisés. Pour pouvoir prévoir et contrôler complètement l'extraction de la lumière alors guidée dans la couche de conversion transparente, la microstructure diélectrique de la matrice contenant les nanoparticules doit être optimisée. Dans un premier temps, nous avons mis en évidence, sur des couches modèles composées d'une matrice sol-gel contenant des luminophores moléculaires, la possibilité d'extraire la lumière piégée dans une couche luminescente par une structuration périodique adéquate de sa surface. Un facteur 10 d'extraction a notamment été obtenu aux petits angles, correspondant à un facteur 5 en intégrant sur tous les angles. Nous avons ensuite développé des nanoparticules de YAG:Ce dont les propriétés optiques ont été optimisées pour se rapprocher de celles du matériau massif. Une procédure de recuit protégé a notamment été développée, permettant d'améliorer considérablement la photostabilité et le rendement interne des nanoparticules tout en conservant leur petite taille et leur bon état de dispersion. Enfin les particules ont été incorporées dans des couches transparentes afin de réaliser des couches de conversion de lumière, qui ont ensuite été déposées sur des diodes bleues.

Ce travail porte sur la fabrication des structures photoniques (SPs) à base de polymères etleurs applications en optique non-linéaire. Dans la première partie, nous avons démontré lafabrication des SPs souhaitées par la méthode d’interférence. En particulier, l’interférencede deux faisceaux laser avec une exposition multiple est démontrée théoriquement etexpérimentalement comme un meilleur choix pour la fabrication des structures souhaitées,qui sont uniformes et de grande taille. Diverses structures à 1D, 2D, et 3D, périodiques etquasi-périodiques sont fabriquées avec succès dans la résine SU8. Nous avons égalementdémontré un moyen pour surmonter l’effet d’absorption de la photorésine, qui impose unelimitation de l’épaisseur des structures, en ajoutant un faisceau laser uniforme en sensopposé par rapport à deux faisceaux d’interférence. Les SPs fabriquées deviennent plusuniformes et leur épaisseur augmente jusqu’à 25 μm. Une autre approche utilisant laméthode d’absorption ultra-faible à un photon a également été mise en oevre montrant lapossibilité d’obtenir des SPs avec une épaisseur jusqu’à 600 μm. De plus, en utilisant latechnique d’interférence et l’effet de transport de masse, nous avons également démontré lafabrication des structures à relief de surface (SRG), avec une profondeur contrôlable, dansdes polymères passives (SU8) et des polymères actives (DR1/PMMA). Dans la deuxièmepartie, nous avons utilisé ces structures pour l’amélioration de la génération de secondeharmonique des matériaux polymères par deux manières différentes: quasi-accord de phase(QPM) et mode de résonance de guide d’onde (WRG). Les structures de QPM permet desurmonter le déphasage entre les ondes fondamentale et harmonique, et par conséquenceaugmente le rendement du taux de conversion. En outre, les structures de guide d’ondeavec une surface modulée (WRG) ont également été démontrées comme une excellenteméthode permettant d’amplifier le signal de SHG par un facteur de 25. / This dissertation deals with the fabrication of various polymer-based photonic structures(PSs) and their applications in nonlinear optics. In the first part, we have demonstratedthe fabrication of desired PSs by interference lithography technique. The two-beam interferencemethod is theoretically and experimentally demonstrated as a best choice forfabrication of all kinds of PSs with large and uniform area. Desired 1D, 2D, and 3D,periodic and quasi-periodic PSs are successfully fabricated on SU8 photoresist. We alsodemonstrated a way to overcome the material’s absorption effect, which imposes a limitationof PSs thickness. By adding one more exposure of a uniform laser beam in oppositedirection of two interfering beams, the fabricated PSs became more uniform and theirthickness increased to 25 μm. A tentative of using low one-photon absorption techniquewas also realized showing the possibility to obtain a PS with a thickness upto 600 μm.Furthermore, by using the interference technique combined with mass transport effect,we have demonstrated the fabrication of desired surface relief grating structures, with acontrollable depth, on passive polymer (SU8) and active polymer (DR1/PMMA). In thesecond part, we applied these fabricated structures for enhancement of nonlinearity ofpolymer materials by two different ways: quasi-phase-matching (QPM) and waveguideresonance grating (WRG). Both theoretical calculation and experimental realization ofthese techniques have been investigated. The QPM structures allowed to overcome thephase mismatch of fundamental and harmonic waves, thus increasing the conversion efficiency.The second-harmonic generation (SHG), one of the most important applicationsof frequency conversion, is significantly enhanced thanks to the QPM condition. Anothermethod basing on the WRG structures allowed to increase the intensity of fundamentalwave, thus enhancing the SHG signal by a factor of 25.