Ces travaux de thèse sont une contribution au projet de réalisation de matrices actives photoniques dans le cadre de la confection de lunettes à réalité augmentée. Un état de l’art des dispositifs actuels nous a permis de montrer l’encombrement engendré par l’utilisation d’un projecteur situé sur la monture. Pour s’en abstenir, l’utilisation du verre de lunette comme source d’image est limitée par la transparence des matrices actives classiques adressant un signal électrique avec des matériaux métalliques. L’utilisation de la photonique pour adresser chacun des pixels avec un signal optique guidée dans des matériaux diélectriques pourrait permettre d’en optimiser la transmission. Dans ce contexte, nos travaux concernent l’étude et la réalisation expérimentale de dispositifs incluant un guide d’onde et un système d’extraction activable. L'objectif est, d'une part, de sélectionner les matériaux et procédés technologiques adaptés pour former des lignes d'adressage photoniques et, d'autre part, d'associer les composants réalisés avec des éléments actifs permettant d’initier ou non l’extraction d’un guide d’onde. Le dispositif doit être transparent dans le visible afin de respecter les contraintes liées au secteur de l'optique ophtalmique. Dans un premier axe de recherche, des réseaux de diffraction micrométriques sont réalisés grâce au développement d’un procédé de photolithographie sur verre avant d’être imprégnés de cristaux liquides via la formation de cellules. La caractérisation, en transmission, des dispositifs formés permet d’étudier la capacité des molécules de cristal liquide à moduler l'intensité de diffraction pour passer d’un état diffractant à un état non diffractant. Une extinction de la diffraction de 90 à 99,9% selon l'épaisseur des structures est finalement mesurée avec l’application d’un champ électrique dans la cellule. La comparaison de ces résultats avec des calculs numériques permet de confirmer l’alignement des molécules à l’intérieur de la structure ainsi que leurs mobilités sous l’effet d’un champ électrique. Ce principe est, dans un second temps, étudié avec des composants photoniques et la réalisation de GMRF (Guided Mode Resonance Filter), association d'un guide d'onde et d'un réseau de diffraction. Des matériaux issus de la chimie sol-gel sont utilisés pour former des guides d'onde planaires et le développement d’un procédé de lithographie par nano-impression nous a permis d’obtenir les structures nanométriques requises. Divers bancs de caractérisation optique sont alors mis en place pour aboutir à plusieurs méthodes de couplage permettant d’obtenir une onde guidée dans le visible. Finalement, nous avons mesuré une modulation de 90% de l’intensité extraite par le GMRF via l’activation des cristaux liquides. / Ces travaux de thèse sont une contribution au projet de réalisation de matrices actives photoniques dans le cadre de la confection de lunettes à réalité augmentée. Un état de l’art des dispositifs actuels nous a permis de montrer l’encombrement engendré par l’utilisation d’un projecteur situé sur la monture. Pour s’en abstenir, l’utilisation du verre de lunette comme source d’image est limitée par la transparence des matrices actives classiques adressant un signal électrique avec des matériaux métalliques. L’utilisation de la photonique pour adresser chacun des pixels avec un signal optique guidée dans des matériaux diélectriques pourrait permettre d’en optimiser la transmission. Dans ce contexte, nos travaux concernent l’étude et la réalisation expérimentale de dispositifs incluant un guide d’onde et un système d’extraction activable. L'objectif est, d'une part, de sélectionner les matériaux et procédés technologiques adaptés pour former des lignes d'adressage photoniques et, d'autre part, d'associer les composants réalisés avec des éléments actifs permettant d’initier ou non l’extraction d’un guide d’onde. Le dispositif doit être transparent dans le visible afin de respecter les contraintes liées au secteur de l'optique ophtalmique. Dans un premier axe de recherche, des réseaux de diffraction micrométriques sont réalisés grâce au développement d’un procédé de photolithographie sur verre avant d’être imprégnés de cristaux liquides via la formation de cellules. La caractérisation, en transmission, des dispositifs formés permet d’étudier la capacité des molécules de cristal liquide à moduler l'intensité de diffraction pour passer d’un état diffractant à un état non diffractant. Une extinction de la diffraction de 90 à 99,9% selon l'épaisseur des structures est finalement mesurée avec l’application d’un champ électrique dans la cellule. La comparaison de ces résultats avec des calculs numériques permet de confirmer l’alignement des molécules à l’intérieur de la structure ainsi que leurs mobilités sous l’effet d’un champ électrique. Ce principe est, dans un second temps, étudié avec des composants photoniques et la réalisation de GMRF (Guided Mode Resonance Filter), association d'un guide d'onde et d'un réseau de diffraction. Des matériaux issus de la chimie sol-gel sont utilisés pour former des guides d'onde planaires et le développement d’un procédé de lithographie par nano-impression nous a permis d’obtenir les structures nanométriques requises. Divers bancs de caractérisation optique sont alors mis en place pour aboutir à plusieurs méthodes de couplage permettant d’obtenir une onde guidée dans le visible. Finalement, nous avons mesuré une modulation de 90% de l’intensité extraite par le GMRF via l’activation des cristaux liquides.

This dissertation documents works on two projects, which are broadly related to photonic integration using III-V semiconductor platform for fiber-based optical communication. Our principal project aims to demonstrate continuous variable quantum key distribution (CV-QKD) with InP-based photonic integrated cir cuit at the 1550 nanometer of optical wavelength. CV QKD protocols, in which the key is encoded in the quadrature variables of light, has generated immense interest over the years because of its compatibility with the existing telecom infrastructure. In this thesis, we have proposed a design of a photonic inte grated circuit potentially capable of realizing this protocol with coherent states of light. From the practical perspective, we have basically designed an optical transmitter and an optical receiver capable of carrying out coherent communi cation via the optical fiber. Initially, we established a mathematical model of the transceiver system based on the optical transfer matrix of the foundry spe cific (Fraunhofer Heinrich Hertz Institute-Germany) building blocks. We have shown that our chip design is versatile in the sense that it can support multiple modulation schemes. Based on the mathematical model, we estimated the link budget to assess the feasibility of on-chip implementation of our protocol. Then we ran a circuit level simulation using the process design kit provided by our foundry to put our analysis on a better footing. The encouraging result from this step prompted us to generate the mask layout for our transceiver chips, which we eventually submitted to the foundry. The other project in the thesis grew out of a collaboration with one of our industry partners. The goal of the project is to enhance the performance of a distributed feedback laser emitting at the 1310 nanometer of optical wavelength by optimizing its design. To that end, we first derived the expression for transmission and reflection spectrum for the laser cavity. Those expressions contained parameters which needed to be obtained from the transverse and the longitudinal mode analysis of the laser. We performed the transverse mode analysis and the longitudinal mode analysis with commercially available numerical solvers. Those mode profiles critically depend on the grating physical parameters. Therefore by tweaking grating dimensions one can control the transmission characteristics of the laser.

La génération d’harmoniques d’ordre élevé est un processus d’interaction lumière-matière hautement non-linéaire permettant la synthèse d’impulsions sub-femtosecondes, dites attosecondes (1 as = 10⁻¹⁸ s). Mes travaux de thèse portent sur l’étude du transfert de moment angulaire lors de ce processus, afin de contrôler les caractéristiques spatiales et de polarisation du rayonnement émis dans l’extrême ultraviolet. Comme pour la matière, le moment angulaire de la lumière peut être séparé en une composante de spin, associée à l’état de polarisation du faisceau, et une composante orbitale, reliée à la forme du front d’onde. La maitrise complète du moment angulaire des harmoniques nécessite de recourir à des schémas de génération à deux faisceaux non-colinéaires, créant un réseau de diffraction dans le milieu générateur. Nous avons montré que, bien que les règles de transfert obéissent à des lois de conservation du moment angulaire, la description fine du phénomène requiert une analyse précise du champ laser dans le milieu de génération. Ces travaux ouvrent des perspectives de mise en forme avancée des impulsions attosecondes. / High-order harmonic generation is a highly nonlinear laser-matter interaction process which allows the synthesis of sub-femtosecond pulses, also called attosecond (1 as = 10⁻¹⁸ s) pulses. My PhD is centered around the study of angular momentum transfer during this process, in order to control spatial and polarization features of the radiation which is emitted in the extreme ultraviolet. As for matter, the angular momentum of light can be divided into a spin component, associated with the beam’s polarization, and an orbital component, related to the shape of the wavefront. The control of high harmonics’ angular momentum requires generating schemes involving two crossing beams, thus creating a diffraction grating in the generating medium.We have shown that, although the transfer rules obey conservation laws of the angular momentum, the fine description of the phenomenon requires an accurate analysis of the laser field in the generation medium. This work opens the road for advanced shaping of attosecond pulses.

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Les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) à base d'antimoniures dans le moyen infrarouge permettent le développement et l'amélioration d'applications telles que la détection de gaz polluants. De nouveaux miroirs à réseaux à haut contraste d'indice (HCG) ont montré un pouvoir réflecteur comparable voire supérieur aux miroirs de Bragg conventionnels avec un gain d'épaisseur d'un facteur 10 tout en offrant un effet polarisant. L'insertion de ce nouveau type de miroir au sein d'une structure VCSEL présente ainsi des avantages prometteurs pour améliorer les propriétés de ces composants pour une émission dans le moyen infrarouge. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse concerne la conception de miroirs HCG qui répondent aux exigences d'une intégration VCSEL en prenant en compte les contraintes technologiques et la tolérance aux erreurs de fabrication. Pour cela, dans un premier temps, un algorithme d'optimisation global a été combiné à une méthode de simulation numérique de réseaux (RCWA) afin d'automatiser la conception de miroirs. L'étude précise des tolérances des paramètres géométriques du réseau a été menée pour pouvoir ensuite développer un algorithme d'optimisation robuste. Cet algorithme permet ainsi d'obtenir non seulement un miroir répondant aux exigences de réflectivités définies par l'utilisateur mais également de conserver ces performances pour de larges gammes de tolérances. Enfin, dans une dernière partie, l'intégration du miroir à réseau dans un VCSEL a été simulée par une méthode aux différences finies (FDTD) pour étudier le fonctionnement d'un composant complet. / In the mid infrared wavelength range, Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) based on the antimony alloy is a promising solution to develop and enhance numerous applications such as polluting gas sensing. A new type of mirror based on High Contrast Grating (HCG) structures has shown similar reflectivities than the Bragg mirrors which are usually used in VCSELs. However, with a polarization selectivity and a reduction in thickness of a factor of 10, HCG mirrors can advantageously replace Bragg reflectors to enhance the properties of mid infrared VCSEL structures. The work presented in this manuscript is devoted to the design of high contrast grating mirrors for a VCSEL application and takes precisely into account the technological constraints and tolerance of fabrication. In a first part, a global optimization algorithm has been combined to a numerical analysis of grating structures (RCWA) to automatically design HCG mirrors for a VCSEL application. In a second part of this work, the tolerances of the grating dimensions have been precisely studied which has lead to the development of a robust optimization algorithm. This algorithm allows to design high contrast gratings which exhibit not only a high efficiency but also large tolerance values required by the manufacturing process. Finally, in a last part, a VCSEL structure using a high contrast grating as top mirror has been designed and simulated by FDTD to validate the use of HCG presented previously in a VCSEL structure.

This thesis fills in the gaps in the existing theory of wave phenomena in thick diffraction gratings at extreme angles of scattering, i.e. when the scattered wave propagates parallel or almost parallel to the grating boundaries. A consistent theory of a new type of Bragg scattering of bulk and guided optical modes in thick uniform and non-uniform, dissipative and non-dissipative, slanted periodic gratings has been developed. This type of scattering is called extremely asymmetrical scattering (EAS). One of the main distinctive features of EAS is the strong resonant increase of the scattered wave amplitude compared to the amplitude of the incident wave. Several unique combinations of strong resonances shaping a complex multi-resonant pattern of EAS in different types of gratings have been predicted and investigated theoretically and numerically. This includes the prediction of a new resonant wave effect in non-uniform gratings with varying phase – double-resonant EAS, the discovery of several sharp and strong resonances with respect to scattering angle in gratings with the scattered wave propagating almost parallel to the grating boundaries (grazing-angle scattering (GAS)) for the case of second-order scattering, and the prediction of a new type of eigenmode in gratings with second-order scattering (especially in gratings with large amplitude). In addition, several other important practical problems that may be crucial for the experimental observation and application of EAS and GAS have been solved. These are the determination of the tolerance of EAS to small grating imperfections, e.g., fluctuations of the grating amplitude, prediction of unusually high sensitivity of second-order EAS to small variations of mean structural parameters, determination of the effect of weak dissipation on EAS, etc. Physical reasons for the predicted resonances and effects are explained. In particular, the crucial role of the diffractional divergence for EAS and GAS has been revealed, especially for non-uniform gratings. Methods of analysis involve the approximate and rigorous approaches. The approximate method is based on understanding the role of the diffractional divergence in the geometry of EAS and the two-wave approximation (valid for any types of waves). The rigorous approach is based on the rigorous coupled-wave analysis (RCWA) and, in particular, the known enhanced T-matrix algorithm (by Moharam, et al.) that is numerically stable for narrow and wide gratings with arbitrary amplitude (valid only for bulk electromagnetic waves).

Cette étude porte sur la mesure de la température à l’échelle microscopique par voie optique dans la gamme UV-visible par comptage de photons à l’aide d’un PMT refroidi. À partir des avantages et des inconvénients de chaque technique existante, la première partie permet de comprendre les orientations de nos travaux. Le Second Chapitre montre et insiste sur l’intérêt de travailler aux courtes longueurs d’onde (limite de diffraction, précision sur la mesure...), d’utiliser la méthode multi-spectrale pour s’affranchir de paramètres inconnus (e.g. l’émissivité) en choisissant judicieusement les longueurs d’onde de travail, ainsi que les lois statistiques classiques pour mesurer le flux photonique sachant son émission aléatoire. Le Chapitre Trois présente le banc de mesure (microscope optique, système de mesure du flux photonique...) et une attention toute particulière est portée sur la conception des éléments chauffants servant à l’étalonnage. Le Quatrième Chapitre présente les résultats en températures obtenues à l’aide des lois statistiques. Ils valident le bon fonctionnement du dispositif, la mise au point de la zone microscopique, et l’intérêt de bien modéliser les filtres monochromatiques. Enfin, des améliorations sur la précision de la mesure (réseau de diffraction, analyseur multi-canal) et pour mesurer des températures plus faibles (LIF, méthode corrélation temporelle) sont présentées dans le Cinquième Chapitre / The aim of this study is to measure microscale temperature by optical way in the UV-visible range by photons counting using a cooled PMT. From the existing techniques advantages and disadvantages, this first part allows to understand the choices of this study. The second part shows and underlines the interest in working in short wavelengths (diffraction limit, measurement accuracy), in using the multi-spectral method to get rid of unknown parameters (e.g. emissivity) by choosing judicious working wavelengths, as well as the statistic laws to measure the photonic flux knowing its random emission. The third chapter presents the optical bench (optical microscope, photonic flux measurement facility…). A particularly attention is given to the design of the heated elements, which allow to calibrate the facility. The fourth part exposes the temperature results obtained through statistic laws. They validate the well-running of the facility, the microscopic area focusing, and the interest to model correctly the filters. Finally, measurement accuracy improvements (diffraction grating, multi-channel analyzer) and lower temperature measurement techniques (LIF, time-correlated method) are presented in the fifth part

La microscopie à émission de photons spectrale (SPEM) est une technique non destructive utilisée comme outil de localisation des défauts et comme indicateur des mécanismes de défaillance. Cette thèse présente un nouveau système de SPEM développé pour étudier la fiabilité des dispositifs de puissance à large bande interdite, notamment les MOSFET SiC et les MEMTs AlGaN/GaN. Un aperçu des différents aspects fondamentaux de l'émission de lumière dans les dispositifs à semi-conducteurs est présenté. L'analyse spectrale en électroluminescence des MOSFET SiC à haute puissance et des HEMTs AlGaN/GaN est rapportée et corrélée avec des analyses électriques et micro-structurales pour localiser les défaillances et identifier l'origine physique de la dérive des performances de ces composants. / Spectroscopic photon emission microscopy (SPEM) is a non-destructive technique used as a defect localizing tool and as an indicator of the failure mechanisms. This thesis presents a new system of SPEM developed to study the reliability of wide band Gap power devices notably SiC MOSFETs and AlGaN/GaN HEMTs. An overview of different fundamental aspects of the light emission defects on semiconductors devices is presented. The electroluminescence spectral analysis of high power stressed SiC MOSFETs and AlGaN/GaN HEMTs is reported and correlated with electrical and micro-structural analysis to localize the failures and identify the physical origin of the performance drift of these components.

ransmitted-light coherence-controlled holographic microscope (CCHM) based on an off-axis achromatic and space-invariant interferometer with a diffractive beamsplitter has been designed, constructed and tested. It is capable to image objects illuminated by light sources of arbitrary degree of temporal and spatial coherence. Off-axis image-plane hologram is recorded and the image complex amplitude (intensity and phase) is reconstructed numerically using fast Fourier transform algorithms. Phase image represents the optical path difference between the object and the reference arms caused by presence of an object. Therefore, it is a quantitative phase contrast image. Intensity image is confocal-like. Optical sectioning effect induced by an extended, spatial incoherent light source is equivalent to a conventional confocal image. CCHM is therefore capable to image objects under a diffusive layer or immersed in a turbid media. Spatial and temporal incoherence of illumination makes the optical sectioning effect stronger compared to a confocal imaging process. Object wave reconstruction from the only one recorded interference pattern ensures high resistance to vibrations and medium or ambience fluctuations. The frame rate is not limited by any component of the optical setup. Only the detector and computer speeds limit the frame rate. CCHM therefore allows observation of rapidly varying phenomena. CCHM makes the ex-post numerical refocusing possible within the coherence volume. Coherence degree of the light source in CCHM can be adapted to the object and to the required image properties. More coherent illumination provides wider range of numerical refocusing. On the other hand, a lower degree of coherence makes the optical sectioning stronger, i.e. the optical sections are thiner, it reduces coherence-noise and it makes it possible to separate the ballistic light. In addition to the ballistic light separation, CCHM enables us to separate the diffused light. Multi-colour-light