Notre recherche porte sur la réponse optique des nanostructures et nous sommes certainement intéressés à la modélisation de ces structures afin d'améliorer le confinement de la lumière. Ce confinement est un des paramètres qui conduisent à l'exaltation des effets optique linéaires et non linéaires, simultanément. Notre travail est divisé en deux sections, qui présentent deux effets optiques diffèrents basées sur le confinement des champs à l’intérieur du structure. Dans la première section, la réponse optique d’une nano-antenne à ouverture en forme de nœud papillon (BNA : Bowtie nano-aperture) sera étudiée en fonction de l’indice de réfraction du milieu. L’étude discute la variation de la longueur d’onde de résonance ainsi que l’intensité du champ confiné au milieu du gap de la BNA en fonction de la distance qui sépare l’antenne d’un substrat placé en face. L’étude prend le cas d’une BNA gravée au bout d’une fibre optique métallisée. Une étude numérique complète a été réalisée par des simulations numériques basées sur la méthode des différences finies FDTD-3D (Finite Difference Time Domaine – Three dimension). Le code utilisé est développé au sein du département d’Optique de l’Institut FEMTO-ST. Notre modèle numérique décrits bien la géométrie de l’antenne ainsi que la pointe. De même les propriétés optiques de la couche métallique de la sonde sont bien décrites à travers un modèle de dispersion (model de Drude). Une étude expérimentale a été réalisée en plus pour une validation des résultats collecte théoriquement, l’étude a considéré le cas de deux BNA avec des paramètres géométrique différents, néanmoins les résultats obtenues se correspond fortement aux résultats obtenues numériquement. Dans la deuxième partie, l'effet électro-optique des nanostructures sera étudié. L’effet électro-optique ou effet Pockels consiste d’une variation linéaire de l'indice de réfraction d'un milieu non-linéaire en fonction d'un champ électrique extérieur. Cependant, la variation est reliée au tenseur de susceptibilité non linéaire du deuxième ordre, ainsi, cette effet ce produit seulement dans les matériaux non-centrosymétrique. Dans notre étude les nanostructures sont fabrique avec le Niobate de Lithium (LN) qui est considéré comme le plus avantageux diélectrique pour l’exaltation des effets non linéaire grâce à ces propriétés (acousto-optique, électro-optique, piézoélectrique …). L’étude est complétée numériquement garce a des simulations basées sur la FDTD en tenant compte de la polarisation du champ. Au début, une validation de l’utilisation de la FDTD pour estimer l’effet électro-optique intrinsèque du LN a été achevée, l’étude considère un milieu homogène (pas de confinement des champs dans le milieu) qui a pour indice de réfraction celle du LN. Pour des structure qui présentes un confinement du champ plusieurs approximation ont été suggère dans cette partie. En outre, nous présentons un nouveau modèle auto-cohérent dans lequel la variation de l'indice de réfraction est modifiée au cours de la simulation. Plusieurs structure ont été discutés (réflecteur de Bragg, structure à cavité et 2D cristal photonique) qui présentent des facteurs de confinement différents. Une étude comparative entre les différentes méthodes, montre que la différence entre les résultats de chaque hypothèse devient plus important proportionnellement au facteur de confinement. / Our research is concerned with the optical response of nano-structures by modeling them in order to enhance the confinement of light in these structures, which leads to the exaltation of linear and nonlinear optical effects.Our work is divided into two sections, which are based on the enhancement of the electric field inside the structure. In the first section, we study the optical properties of a Bowtie Nano-aperture, BNA, as a function of the refractive index of the surrounding medium. The study discusses the variation of the resonance wavelength and the intensity of the enhanced field in the gap of the BNA as a function of the distance from a sample placed in front of our BNA. The BNA is engraved at the apex of a metallic coated fiber tip. In this section a theoretical study was achieved using the Finite Difference Time Domain method FDTD in which we implement a Drude dispersion model to faithfully describe the optical properties of metals. In addition, a validating experimental study was achieved and a high accordance between both results is recorded.In the second section, the electro optical effect of nano-structures is studied. Electro-optical effect or Pockels effect is the variation of the refractive index of a nonlinear media as a function of an applied external electric field. The electro-optical effect is a linear variation of the media refractive index. However it is also related to the second order nonlinear susceptibility tensor, thus it becomes a nonlinear effect that only occurs in non-centrosymetric material. In our study we chose the case of a nano-structure fabricated with Lithium Niobate. Lithium Niobate is widely used in photonic applications due to its electro-optical, acousto-optical and nonlinear optical properties. We present a theoretical study of the electro-optical effects using the FDTD simulation method. We started by approving the ability to use the FDTD to calculate the refractive index variation in bulk Lithium Niobate then we suggest different approximations to estimate the refractive index variation when the light is confined inside the structure. In addition we suggest a new self-consistent method in which the variation of the refractive index is modified during the simulation. The study shows a comparison between different assumptions (used in previous research) and the self-consistent method for various structures, like Bragg reflectors, cavity structures and 2D photonic crystals. The study shows that the difference between the results of each assumption becomes greater when the optical confinement in the structure becomes more important.

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l’étude des propriétés photoniques de quatre espèces de diatomées du genre Coscinodiscus : C. wailesii, C. specie, C. radiatus et C. radiatus-cf. Les diatomées sont des micro-algues unicellulaires constituées d’une cellule unique encapsulée dans une matrice inorganique de silice poreuse appelée frustule. Nous avons effectué des cultures de ces espèces, puis extrait les frustules afin de les caractériser, tant du point de vue de leur composition que de leur morphologie, par microscopie électronique et tomographie RX. Le frustule est constitué de trois couches de silice (le foramen, le cribrum et le cribellum) présentant une structure poreuse hiérarchique, s’étendant du micromètre au nanomètre, et formant ainsi une matrice tridimensionnelle complexe pouvant présenter des propriétés photoniques. Le foramen et le cribrum présentent des réseaux de pores de périodicité importante dont les dimensions caractéristiques (taille des pores, pas du réseau…) sont de l’ordre de grandeur des ondes lumineuses. Les propriétés optiques des frustules ont alors été étudiées expérimentalement par imagerie spectrale et théoriquement par simulations numériques par la méthode des éléments finis. Nous avons ensuite mis en évidence un effet de concentration de la lumière visible transmise sur l’axe de la diatomée à quelques dizaines de micromètres derrière le frustule. Cet effet s’avère dépendre de la longueur d’onde incidente ainsi que de l’orientation du frustule. Finalement, nous avons montré, par approche théorique et simulations numériques, que cet effet de concentration de la lumière le long de l’axe est majoritairement dû au foramen et que les autres couches n’ont qu’un effet marginal. Une telle micro et nano-structuration complexe de la matière est actuellement inaccessible à l’échelle industrielle. Cette structure présente cependant des effets de concentration et de filtration des ondes lumineuses d’un grand intérêt dans de nombreux domaines (photovoltaïque, cosmétique, peinture…) et on peut donc envisager raisonnablement une utilisation directe des diatomées. / The work presented in this thesis deals with the study of the photonic properties of four diatom species of the genus Coscinodiscus: C. wailesii, C. specie, C. radiatus et C. radiatus-cf. Diatoms are unicellular microalgae consisting of a single cell encapsulated in an inorganic matrix of porous silica called frustule. We performed cultures of these species, then extracted the frustules to characterize them, both in terms of their composition and their morphology, by electron microscopy and X-ray tomography. The frustule consists of three silica layers (the foramen, cribrum and cribellum) with a hierarchical porous structure, ranging from micrometer to nanometer scale, and thus forming a complex three-dimensional matrix that may have photonic properties. The foramen and cribrum have periodic pores networks whose characteristic dimensions (pore size, lattice constant…) are of the order of light wavelengths. The optical properties of the frustules were then studied experimentally by spectral imaging and theoratically by numerical simulations by finite element method. We demonstrated a concentration effect of visible light transmitted on diatom’s axis a few tens of micrometers behind the frustule. This effect appears to depend on the incident wavelength as well as the orientation of the frustule. Finally, we have shown by theoratical approach and numerical simulations, that light concentration effect along the axis is mainly due to the foramen and the rest of layers have only a marginal effect. Such complex micro and nano-structuring of matter is currently impossible on an industrial scale. This structure, however, has optical effects of light concentration and filtration of great interest in many fields (photovoltaics, cosmetics, paint…) and it is therefore reasonnable to consider a direct use of diatoms.

[…] Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à ces bandes interdites et à ces modes de propagations dans le cas d’un cristal photonique constitué d’une matrice de piliers déposés en surface d’un milieu semi-fini. L’étude des interactions entre les piliers résonants localement avec la surface du milieu semi fini nous a permis d’identifier de nouveaux modes de propagation […]Nous avons également montré comment obtenir une réfraction négative omnidirectionnelle[…] La dernière partie de ce travail a été consacré à l’étude des mécanismes permettant la propagation et le confinement d’ondes guidées[…] .Nous avons également explicité les mécanismes qui permettent de crée ce type d’ondes guidées sub-longeur d’onde et le confinement des photons de surface. / [...] We present the features of the interaction between surface acoustic wave and locally resonant pillar on the top of demi infinite medium. We shown that the photonic crystal we proposed possess an acoustic metamaterial feature for surface acoustic waves in the manner that pillars on the top of the surface introduce new guide modes in the non radiative region of the substrate outside sound cone. We also demonstrate the these guided modes are resonant modes that have frequencies greatly lower than those expected from the Bragg mechanism. […]