Thèse de doctorat : sciences. Matière condensée : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. 86 réf.

La réalisation d'un laser en optique intégrée sur niobate de lithium dopé erbium passe par la création d'une cavité Fabry-Pérot. Cette cavité peut être obtenue de manière classique en déposant des miroirs diélectriques multicouches aux extrémités du guide d'onde. Des problèmes de fiabilité de fabrications de ces miroirs peuvent être contournés en utilisant des réseaux de Bragg gravés à la surface du guide d'onde. Une autre approche, c'est un laser DFB bien connu, dans ce cas le cœur du guide à contraste d'indice, est structuré périodiquement par des réseaux de Bragg aussi gravés à la surface. Cette thèse présente une nouvelle configuration d'un cristal photonique (CP) 2D de forme originale LOM (pour Laterally Over-Modulated) pour remplacer les réseaux de Bragg gravés à la surface de guide d'onde de titane diffusé sur un substrat de niobate de lithium dopé erbium. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce mouvement. Son but est la conception, la fabrication et la caractérisation de LOM, destinées à réaliser un laser émettant à λ = 1,55µm répondant aux exigences de l'intégration photonique. La structure LOM proposée vise en même temps : - Le renforcement de l'émission spontanée par effet Purcell dans un milieu amplificateur où le couplage, de la sur-modulation de l'indice optique CP1D (effet Bragg) et CP2D (BIP), replie les relations de dispersion et crée de fait des régions de faible vitesse de groupe. - Le remplacement de la configuration Fabry-Pérot nécessitant un dépôt de couche diélectrique par une structure DFB réalisable en une seule étape de fabrication, d'où le choix de la technologie FIB " Focused Ion Beam ". L'optimisation de LOM occupe une partie du travail. Des simulations numériques ont été menées en deux dimensions par un logiciel " RSoft ", utilisant les techniques des ondes planes et FDTD, pour obtenir un meilleur rendement de transmission possible autour de 1.55µm. En accord avec les simulations, nous présentons la réalisation et la caractérisation de LOM dans un guide d'onde Er:Ti:LiNbO3 de coupe X propagation Z pompé à 980nm par une diode laser continue. Un gain d'amplification de 9 dB a été obtenu pour un LOM de 780 trous d'air de diamètre 290nm et de période 540nm constituant une surface de (22µm X 9µm). L'étape suivante consiste à améliorer le LOM pour arriver à créer un laser intégré.

Ces dernières années ont vu l'avènement de diodes électro-luminescentes bleues et blanches efficaces à base de nitrure de gallium (GaN). Cette technologie est en position de remplacer les ampoules conventionnelles dans un proche futur, permettant ainsi de considérables économies d'énergie. Toutefois, ce scénario exige que ces diodes soient entièrement optimisées, depuis la qualité du matériau jusqu'à la façon d'en extraire la lumière. Cette thèse étudie ce dernier aspect : la lumière émise dans un semiconducteur y est naturellement piégée, et une stratégie est nécessaire pour briser ce mécanisme de guidage. Plus précisément, nous examinons des méthodes permettant l'extraction déterministe de la lumière des diodes GaN en utilisant ses propriétés ondu! latoire (interférences, diffraction) afin d'obtenir des diodes efficaces dont les propriétés d'émission sont contrôlées. Les diodes a microcavités sont tout d'abord envisagées : celles-ci utilisent les interférences de la lumière dans la diode pour modifier les directions préférentielles d'émission et maximiser l'extraction directe. Toutefois, la fabrication de ces structures est complexe et n'offre qu'une efficacité théorique imparfaite. Par la suite, l'extraction de la lumière guidée par cristaux photoniques (CP) est étudiée. Un CP est une structure optique périodique formée dans la diode, qui altère les propriétés de propagation de la lumière. Ici, le CP agit comme un réseau de diffraction bidimensionnel qui redirige la lumière guidée vers l'extérieur. Ce principe est tout d'abord exploré par des expériences de photoluminescence sur des structures simples, qui révèlent la structure des modes guidés et suggèrent les propriétés que le CP devrait posséder. Ces propriétés peuvent être regroupées en deux catégories : structure planaire (choix du réseau cristallin et de la période du CP...) et structure verticale (qui mêle de façon plus complexe les propriétés du CP lui-même et celles de la couche épitaxiée). Diverses implémentations de diodes à cristaux photoniques sont par la suite proposées, fabriquées et caractérisées. Divers réseaux cristallins sont comparés, révélant les avantages de motifs complexes tels que le pavage d'Archimède. La plus grande partie de l'optimisation porte cependant sur la structure verticale, afin s'assurer une extraction efficace par le CP. Plusieurs solutions sont étudiées (ingénierie des couches épitaxiales pour modifier le diagramme d'émission de la lumière, structures minces pour augmenter son interaction avec le CP...) L'ensemble de ces implémentations est validé et guidé par la modélisation des propriétés du CP. Cette modélisation est un problème numérique complexe (solution des équations de Maxwell en trois dimensions). Plusieurs codes ont été écrits et employés durant la thèse - dont une méthode originale dite " hybride ". Celle-ci a permis d'expliquer quantitativement les résultats expérimentaux, et de suggérer les voies d'optimisation étudiées par la suite. Bien que loin d'être entièrement optimisées, les diodes obtenues à l'issue de ce travail présentent des résultats encourageants et laissent espérer une application industrielle.

Le contrôle des rejets dans l'atmosphère est une préoccupation importante de nos sociétés. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre en proposant l'étude et la réalisation de composants lasers compatibles avec des systèmes de détection de gaz polluants. La spectroscopie d'absorption par diodes laser accordables est une méthode de détection de gaz, très sensible et sélective. Elle nécessite des diodes laser fonctionnant en régime continu, à température ambiante avec une émission monofréquence et une large accordabilité. Pour répondre à ces exigences, nous proposons une géométrie originale où deux cavités laser sont couplées par un miroir à cristal photonique (CP). Le domaine du moyen infrarouge (2 à 5 µm), où de nombreuses espèces gazeuses présentent de fortes raies d'absorption, est particulièrement intéressant pour ces applications. Pour atteindre cette gamme, la famille des matériaux à base d'antimoniures est la mieux adaptée car elle permet l'obtention de composants émettant au-delà de 2 µm. Deux géométries ont été étudiées, l'une avec les CPs placés de part et d'autre du ridge, l'autre avec les CPs le traversant. Les modélisations ont montré que le second design était le plus efficace. Un enjeu majeur de cette thèse a été le développement d'un procédé technologique complet qui fait appel à des étapes de photolithographie associées à des étapes d'insolation électronique pour la définition des CPs et l'ouverture de l'isolant. Il a nécessité la mise au point de la gravure profonde des CPs. Les caractérisations des structures ont montré un fonctionnement en continu, à température ambiante. Une émission monofréquence a été obtenue. Des mesures d'absorption de méthane et de monoxyde de carbone ont validé la faisabilité de l'utilisation de ces structures dans un système de détection de gaz. / Mitigation of atmospheric emissions is an important concern for today's society. This PhD work is in keeping with this pattern by proposing to study and realize laser devices to be integrated in systems for detecting polluting gases. Tunable diode laser absorption spectroscopy is a technique for gas detection which is very sensitive and selective. It makes use of laser diodes operating in the continuous wave regime at room temperature with a single frequency emission and a large tuning range. For fulfilling these requirements, we propose an innovative design where two laser cavities are coupled by a photonic crystal mirror (PC). The mid-infrared range (2 to 5 µm), where numerous gas species have strong absorption lines, is of particular interest for these applications. The antimonide system is the best suited for reaching this wavelength range because it allows to make devices emitting beyond 2 µm.Two designs have been studied, one with PCs placed on both sides of the ridge, the other one with PCs going through the ridge. Modelling has shown that the second design is the most efficient. A major challenge in this work was to develop a complete technological process making use of photolithography steps combined with electronic insulation steps for defining the PCs and opening the insulator layer. A special care has been devoted to perfecting deep etching of the PCs. Subsequent characterizations showed that the devices work in the continuous wave regime at room temperature. Single frequency emission was obtained. Absorption measurements with methane and carbon monoxide have validated the use of these devices in a system for gas detection.

Atteindre le régime de couplage fort entre des nanocavités et des systèmes atomiques est un élément clé dans l'information quantique. Durant ma thèse, j'ai designé et fabriqué des nanocavités à cristal photonique en GaInP pour le couplage fort autour de 800 nm, longueur d'onde typique des atomes du Rubidium (780 nm) et de Césium (852 nm), les plus utilisés dans le domaine, ainsi que de l'Argon (811 nm). L'objectif est de faire interagir ces atomes avec la partie évanescente du mode fondamental de la nanocavité. Pour cela, un facteur de qualité de l'ordre de 8.10^4 et un volume modal inférieur à 0,04 µm^3 est nécessaire.La nanocavité est l'élément clé d'une plateforme nanophotonique. Nos plateformes sont composées d'une nanocavité à cristal photonique résonant autour de 800 nm, d'un réseau-coupleur pour collecter la lumière issue d'une fibre optique et vice versa et de guides d'alimentation pour transporter la lumière du réseau-coupleur à la nanocavité. Plusieurs défis technologiques ont émergé. La nanocavité doit avoir un fort facteur de qualité et un faible volume modal, le réseau-coupleur doit collecter le maximum de lumière issue de la fibre, les guides d'alimentation doivent transporter la lumière sans perte et, enfin, un mécanisme pour coupler la lumière des guides d'alimentation dans la nanocavité devait être trouvé.J'ai simulé, designé, fabriqué et caractérisé les éléments de ma structure. J'ai obtenu des facteurs de qualité supérieurs à 10^7 en théorie, et de l'ordre de 2.10^4 expérimentalement, détenant ainsi le record pour les cavités en GaInP autour de la longueur d'onde de 800 nm pavant la voie à la réalisation des expériences de couplage fort. / Reaching the strong coupling between nanocavities and atomic systems is a key element for Quantum Information. During my PhD, I designed and fabricated photonic crystal nanocavities in Gallium Indium Phosphide (GaInP)for strong coupling around 800,nm, typical wavelength of atoms such as Rubidium (780,nm), Cesium (852 nm), the most used in this domain, and the Argon atoms (811 nm).The aim of my PhD thesis is to provide with a nanophotonic platform dedicated to strong coupling interaction. For this, nanocavities having optical resonances arounf 800 nm, with quality factors larger than 8.10^4 and mode volumes smaller than 0.04µm^3 are necessary.The nanocavity is a key element of nanophotonic plateform. Our platforms are composed of a photonic crystal nanocavityitself, a grating-coupler in order to collect light from a optic fiber and vice versa and feeding waveguides in order to transport the light from the grating-coupler to the cavity. An efficient nanophtonic platfom for a reaslitic implementation should have a nanocavity with a large Q-factor and small mode volume. The grating-coupler must efficiently collect the light from the optical fiber, and the feeding waveguides must transport the light without losses.I simulated, designed,fabricated and caracterized the elements of my structure. I obtained quality factors larger than 10^7 in theory, and about 2.10^4 experimentally, getting the record for the nanocavities in GaInP around the wavelength 800 nm, which make them close to realize experiments of strong coupling.

Au cours des dernières années, la recherche dans le domaine des bio-capteurs optiques sans marquage a connu une croissance rapide du fait de la nécessité de développer des méthodes toujours plus performantes pour la détection et la mesure de faibles concentrations de molécules spécifiques dans divers domaines. Parmi les différentes méthodes optiques existantes, les cristaux photoniques (CP) offrent une alternative prometteuse du fait de leur sensibilité. D’autre part, le diamant, utilisé comme matériau pour la réalisation de ces dispositifs offre de bonnes propriétés optiques et la possibilité de réaliser une fonctionnalisation de surface efficace facilement. Dans ce contexte, cette thèse propose un nouveau design de bio-capteur optique à cristaux photonique bi-dimensionnel en diamant, fonctionnant à des longueurs d'onde proche de 800 nm.Une géométrie originale de trous d'air circulaires organisés selon une maille carrée a été choisie pour maximiser la sensibilité du bio-capteur à des changements d'indice de réfraction en leur surface. Il a été démontré analytiquement que les modes à faible vitesse de groupe avaient une plus grande sensibilité à ces changements. Des méthodes numériques ont permis de préciser les paramètres géométriques optimaux du CP. Le design proposé est basé sur la mesure de décalage angulaire dans le spectre en réflexion d'un mode lent résonant du CP quand celui-ci est éclairé par une lumière monochromatique.Des films de diamant polycristallin de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres d’épaisseur ont été déposés sur différents substrats. L’ensemble des procédés technologiques nécessaires à la réalisation des CP et spécifiques aux films de diamant polycristallin ont été développés ou optimisés, comme, entre autre, un procédé de lissage obtenu par gravure plasma, un procédé de transfert de films de diamant sur un autre substrat par collage, un procédé d’amincissement des films de diamant et la fabrication des CP par lithographie électronique et gravure plasma.Les échantillons réalisés dans la salle blanche du C2N ont été mesurés optiquement et les hypothèses théoriques concernant les performances du capteur ont étés validées. Un mode avec une vitesse de groupe c/100 à une longueur d'onde de 800 nm a été mesuré et la sensibilité correspondant a cette structure a été estimée à 500 degrés par unité d'indice de réfraction (°/RIU), une valeur supérieure d’un ordre de grandeur à celles rencontrées couramment dans les capteurs à CP bidimensionnels. Ces résultats représentent un premier pas vers un biocapteur hautement sensible, comprenant une fonctionnalisation de surface du diamant pour une reconnaissance de cible spécifique. / Over the last years, the research on the label-free biosensor topic has experienced a very rapid growth because of the need to develop high-performing methods to detect and measure low concentrations of specific molecules in various fields. Among all the methods proposed, photonic crystals (PhC) structures offers a good alternative due to their sensitivity. Moreover, the use of diamond as material make the proposed device more attractive due to its optical properties, high chemical stability and efficiency of surface functionalization. In this context, this PhD thesis propose a new design of optical bio-sensor based on diamond two-dimensional photonic crystals, working at the wavelength near 800 nm.An original geometry of circular air holes arranged in squared lattice was chosen in order to maximize the sensitivity of such photonic structures to refractive index changes on their surface. It was analytically proven that modes with low group velocity are more sensitive to these variations. Numerical methods gave the necessary information to determine the optimal geometrical parameters of the PhC. The proposed design is based on measuring the shift of the angular reflectivity of a low group velocity guided mode resonance (GMR) PhC when probed with a single frequency light.Polycrystalline diamond films were grown on two different substrates, with thicknesses ranging from a few hundreds of nanometers to several micrometers. The technological processes required for the realization of PhC on polycrustalline diamond were developed or optimized, such as surface planarization by inductively coupled plasma (ICP) dry etching, diamond film transfer onto new substrate by wafer bonding process, diamond films thinning and surface patterning with PhC using Electronic Beam Lithography (EBL) and ICP methods.The samples realized in clean-room facilities were optically measured and the theoretical assumptions were validated. A GMR with a c/100 group velocity at a wavelength of 800 nm was measured and its sensitivity is estimated to be in the order of 500 degrees/ refractive index unit (°/RIU), a value that is one order of magnitude higher than the typical values encountered for sensors based on 2D PhC. These results represents a first step towards a highly sensitive bio-sensor, including a diamond surface functionalization for specific target recognition.

La réalisation d’un laser en optique intégrée sur niobate de lithium dopé erbium passe par la création d’une cavité Fabry-Pérot. Cette cavité peut être obtenue de manière classique en déposant des miroirs diélectriques multicouches aux extrémités du guide d’onde. Des problèmes de fiabilité de fabrications de ces miroirs peuvent être contournés en utilisant des réseaux de Bragg gravés à la surface du guide d’onde. Une autre approche, c’est un laser DFB bien connu, dans ce cas le cœur du guide à contraste d’indice, est structuré périodiquement par des réseaux de Bragg aussi gravés à la surface. Cette thèse présente une nouvelle configuration d’un cristal photonique (CP) 2D de forme originale LOM (pour Laterally Over-Modulated) pour remplacer les réseaux de Bragg gravés à la surface de guide d’onde de titane diffusé sur un substrat de niobate de lithium dopé erbium. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce mouvement. Son but est la conception, la fabrication et la caractérisation de LOM, destinées à réaliser un laser émettant à λ = 1,55µm répondant aux exigences de l'intégration photonique. La structure LOM proposée vise en même temps : - Le renforcement de l’émission spontanée par effet Purcell dans un milieu amplificateur où le couplage, de la sur-modulation de l’indice optique CP1D (effet Bragg) et CP2D (BIP), replie les relations de dispersion et crée de fait des régions de faible vitesse de groupe. - Le remplacement de la configuration Fabry-Pérot nécessitant un dépôt de couche diélectrique par une structure DFB réalisable en une seule étape de fabrication, d’où le choix de la technologie FIB « Focused Ion Beam ». L’optimisation de LOM occupe une partie du travail. Des simulations numériques ont été menées en deux dimensions par un logiciel « RSoft », utilisant les techniques des ondes planes et FDTD, pour obtenir un meilleur rendement de transmission possible autour de 1.55µm. En accord avec les simulations, nous présentons la réalisation et la caractérisation de LOM dans un guide d’onde Er:Ti:LiNbO3 de coupe X propagation Z pompé à 980nm par une diode laser continue. Un gain d’amplification de 9 dB a été obtenu pour un LOM de 780 trous d’air de diamètre 290nm et de période 540nm constituant une surface de (22µm X 9µm). L’étape suivante consiste à améliorer le LOM pour arriver à créer un laser intégré. / Achieving an erbium doped lithium niobate integrated optical laser needs to create a classic Fabry-Perot cavity or a distributed feedback structure (DFB). The Fabry-Perot cavity can be obtained by a multilayer dielectric mirrors at the ends of the waveguide. In the DFB Structure the waveguide is structured periodically by a surface Bragg gratings. This thesis presents a new structure of a 2D photonic crystals (PC) form called LOM (Laterally Over- Modulated) to replace Bragg gratings. The objective of this thesis is the design, manufacture and characterisation of the LOM structure, intended to achieve a LiNbO3 integrated laser emitting at 1.55μm. The proposed LOM structure aims at the same time: - To enhance the spontaneous emission by Purcell effect in Er:LiNbO3 area where LOM structure allows fold dispersion relations and create regions of low group velocity. - To replace the Fabry-Pérot structure by a LOM requiring only one-step growth, where the choice of FIB "Focused Ion Beam" technology. Optimization of the LOM structure occupies part of the work. Numerical calculations were conducted by "RSoft" software, using plan-waves and FDTD techniques, for maximum transmission around 1.55μm. Finally, we present the achievement and the characterisation of our LOM structure in a x-cut and z-propagating Ti:Er:LiNbO3 waveguide using 980nm pump. A 9 dB gain was obtained for a LOM sample (22 μmX9 μm) formed by 780 air holes of diameter D=290 nm and period a=540 nm. The next step is to improve the LOM structure to create an integrated laser.

La présente thèse de doctorat rapporte une étude expérimentale sur la réflexion résonante de la lumière dans des structures hélicoïdales à bande photonique interdite. Plusieurs aspects optiques et électro-optiques des cristaux liquides cholestériques sont abordés en concentrant l’attention sur deux effets principaux: l’influence des conditions aux limites (mécaniques et optiques) sur les propriétés optiques des couches de cristaux liquides cholestériques et le contrôle de la bande interdite de ces dernières. On présente un élément à double-rétroaction optique basé sur une cavité de Fabry-Pérot remplie de cristal liquide cholestérique. Les propriétés spectrales et de polarisation de cet élément sont caractérisées expérimentalement et par des simulations théoriques. Un changement mineur dans la structure en haut (cavité de Fabry-Pérot) nous a permis d’obtenir une transmission non-réciproque de la lumière sans application d’un champ externe à l’élément en question. Nous avons observé une transmission non-réciproque de la lumière par un système qui ressemble beaucoup aux structures naturelles observées sur certaines carapaces d’insectes (par exemple, sur les élytres de certains coléoptères): une simple couche de matière transparente linéaire dans son état fondamental. L’effet est défini par deux facteurs principaux: la chiralité et la périodicité de la matière ainsi que les conditions asymétriques aux surfaces limites. Concernant la partie sur le contrôle de la bande interdite, nous présentons la création et l’utilisation du mélange de cristal liquide cholestérique à deux fréquences pour le ‘déroulement’ et la reconstruction dynamique de la structure hélicoïdale. Le processus de reconstruction est accéléré d’un ordre de grandeur par l’application de champs électriques modérés. L’étape suivante du contrôle de la bande interdite est l’accord en longueur d’onde de la bande interdite. Un effet électromécanique est utilisé pour générer et étudier l’auto-adaptation du pas d’hélice de la couche de cristal liquide cholestérique. L’anisotropie négative diélectrique a permis d’assurer la stabilisation de la structure hélicoïdale de la couche pendant l’application du champ électrique qui a aussi changé l’épaisseur de la couche de cristal liquide en pliant un des substrats minces de la cellule. Cette déformation de la couche a généré un d’accord (et des sauts) des longueurs d’onde de la bande interdite. Les études spectrales et morphologiques pendant les changements de la bande interdite sont présentées et discutées. / The present PhD thesis reports experimental study of resonant reflection in helicodal photonic band gap structures. Several optical and electro-optical properties of cholesteric liquid crystals are investigated where attention was concentrated on two principal phenomena: the influence of mechanical and optical boundary conditions on optical properties of cholesteric liquid crystal layers and control of photonic band gap of cholesteric liquid crystals. The creation of a double-feedback optical element based on a Fabry-Perot cavity filled with a planar aligned cholesteric liquid crystal mixture is presented. The polarization and spectral properties of this element are characterized experimentally and simulated theoretically. Experimental results are obtained for the transmittance dependence upon the orientation of the linear polarization plane and the polarization state of incident probe beam. A slight change in above mentioned structure (Fabry-Perot cavity) let us obtain a non-reciprocal transmittance of light without applying any external field. We observed an optical non reciprocity in a material system that is very close to natural structures, such as insect skin: a single layer of linear transparent material in its ground state. The process is shown to be defined by two key parameters: the chiral and periodic nature of the material and its asymmetric boundary conditions. In the part of band gap control, we present the creation and the use of dual frequency cholesteric liquid crystal mixtures for the dynamic electrical unwinding and forced (accelerated) restoring of their molecular helix. The restoring process is accelerated almost by an order of magnitude for quite moderate voltages used. The next step of band gap control is the tuning of band gap (wavelength). Strong electromechanical effect was used to generate and study self-adaptation and pitch jumps in a layer of cholesteric liquid crystal. The negative dielectric anisotropy of the material allowed its stabilization by the electric field and important thickness changes, achieved thanks to the use of a very thin substrate, allowed the observation of multiple dynamic jumps at fixed deformation conditions. Spectral and morphological studies of the material during those jumps were performed and are presented.

Cette thèse apporte une contribution théorique et expérimentale à l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation de structures à cristaux photoniques à gradient (GPhCs). Nous explorons pour commencer la relation qui existe entre les déformations des surfaces équi-fréquences (EFS) de différents cristaux photoniques et les paramètres de maille des configurations envisagées. Compte tenu de la complexité des structures possibles obtenues à partir d'un chirp spatial bidimensionnel d'au moins un paramètre de maille, nous avons limité notre étude à un type particulier de structure basé sur un réseau carré de silicium sur isolant (SOI) planaire constitué de trous d'air de facteur de remplissage variable. Une expression analytique des EFS connexes en fonction du rayon des motifs a d'abord été extraite, et une structure GPhC de "référence" a ensuite été proposé pour l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation des GPhCs utilisant à la fois une approche consistant à propager un ou plusieurs rayons optiques dont les trajectoires sont données par les équations de l'optique Hamiltonienne et une approche tout numérique basée sur des simulations FDTD. Nous décrivons ensuite les processus de fabrication de salle blanche des structures à cristaux photoniques graduels, obtenues à partir de substrats semiconducteurs par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive. Les échantillons fabriqués sont étudiés expérimentalement par des techniques de mesure en champ lointain et en champ proche (SNOM) en s'appuyant sur une collaboration avec un autre groupe du CNRS. Les résultats expérimentaux montrent une relation dispersive quasi-linéaire de 0.25μm/nm dans la gamme de longueur d'onde allant de 1470nm à 1600nm. Les premiers dispositifs fabriqués présentent aussi la possibilité de séparer des couples de deux longueurs d'onde (démultiplexage) avec des pertes d'insertion faibles (inférieures à 2 dB) et un niveau de diaphonie faible (de l'ordre de -20 dB). Ils présentent également un effet très net de séparation des polarisations de la lumière avec une diaphonie inter-polarisations TE/TM de -27dB dans une bande spectrale de l'ordre de 70 nm. Au-delà de ces mesures optiques obtenus dans une configuration particulière de cristal photonique graduel, les travaux présentés dans cette thèse ont permis l'observation directe de la transition entre les régimes d'homogénéisation et de diffraction de propagation de la lumière dans un matériau optique artificiel tout diélectrique. Globalement, la méthodologie présentée et adoptée pour l'étude de la propagation de la lumière dans les structures étudiées a ouvert des perspectives pour la réalisation de fonctions optiques plus complexes.

Une compréhension fine des interactions de la lumière avec des matériaux structurés à l'échelle de la longueur d'onde est nécessaire pour parvenir à contrôler les photons (émission, propagation et détection) dans de petits volumes de l'ordre de quelques lambda cube. Les applications de ce contrôle couvrent des domaines très variés, allant des interconnexions optiques à la réalisation d'expériences d'électrodynamique quantique à l'état solide. Au cours de cette thèse, nous avons étudié les interactions de la lumière avec des structures à base de cristaux photoniques bidimensionnels gravés dans un empilement de couches minces, structures qui peuvent être utilisées aussi bien en optique guidée qu'en optique en espace libre. Pour cela, des outils de simulation numérique tridimensionnelle performants ont été développés. <br />Tout d'abord, nous avons réalisé une étude théorique et numérique de la propagation de la lumière dans des guides à cristaux photoniques. Nous nous sommes intéressés à un système modèle, le guide à une rangée manquante, ainsi qu'à trois quantités physiques essentielles, l'atténuation, la durée de vie et le coefficient de réflexion du mode fondamental.<br />Nous avons également étudié le confinement de la lumière dans des microcavités à cristaux photoniques. Nous avons en particulier montré que, même à l'échelle de la longueur d'onde, la physique du confinement est essentiellement gouvernée par des quantités classiques : les pertes radiatives à l'interface des miroirs et la vitesse de groupe du mode de Bloch guidé à l'intérieur de la cavité.<br />Finalement, nous avons étudié une application des cristaux photoniques à l'optique diffractive en espace libre. Leurs propriétés de dispersion structurale originales nous ont permis de concevoir des optiques diffractives qui restent efficaces sur une large bande spectrale.