Ce travail de thèse, essentiellement théorique et basé sur une approche modale, porte sur les propriétés optiques de surfaces métalliques comportant un certain nombre de gravures de profil rectangulaire dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière incidente.<br />Ces surfaces présentent des anomalies de réflexion liées à des exaltations locales du champ électromagnétique, dues notamment à des résonances de type Fabry-Pérot à l'intérieur des sillons. L'analyse du problème d'un couple de cavités sub-longueur d'onde, couplées en champ proche, montre comment on peut générer des "points chauds" et contrôler la localisation de la lumière à l'échelle sub-longueur d'onde. Les applications sont de première importance: commutation optique, adressage quantitatif de la lumière, diffusion Raman exaltée en<br />surface (SERS)... On s'intéresse également aux effets de localisations liés au désordre structurel: la rupture de symétrie d'un arrangement périodique génère différents jeux d'allumage des cavités, très sensibles à la fréquence d'excitation. Certaines prédictions théoriques sont étayées expérimentalement.<br />Enfin, le cas des réseaux lamellaires très fortement sub-longueur d'onde est examiné, en lien avec l'Absorption Optique Anormale et l'effet SERS observés sur certains films métalliques rugueux. Les exaltations géantes du champ électrique, calculées dans les nano-cavités par la méthode modale exacte, dans le domaine visible, s'expliquent par l'excitation de plasmons-polaritons de surface dont les vecteurs d'onde sont très supérieurs à ceux de la lumière.

This thesis proposes a new method for the generation of continuous spectra with possible applications in optical WDM access networks. This new method would allow the development of a continuum laser type structure with better performances in terms of cost and simplicity compared to the current supercontinuum sources. For this purpose, we have analyzed the possibility of extending the resonant modes of a Fabry-Perot cavity acting only on the design of one of the cavity mirrors. The design of the mirror is generated with a genetic algorithm targeting a desired reflectivity spectrum. An active medium is then added inside the cavity formed with the synthesized mirror and the cavity's emission is simulated below the lasing threshold. The spectra thus obtained are continuous on an interval of 5 to 15 nm.

The thesis deals with a design of a comparing interferometer. It concerns a setup of two interferometers, one of them is a Michelson and another a Fabry-Pérot type. This set-up is made to compare results of length measurements simultaneously performed by each of them. In the Theory, basic principles of Michelson and Fabry-Pérot interferometers are described. A special attention is paid to an innovative method of length measurement with tunable lasers and optical frequency comb. In the Practical Part, so-called Pilot Experimental Setup is described. It is a prototype that has been used to perform basic experiments on comparing of the two above mentioned methods. Based on experimental results and practical experience with the Pilot Experimental Setup, a Final Setup is designed. It comes in a form of a stand-alone instrument.

QC 20101206

Absorption plays a critical role in a variety of optical applications – sometimes it is desirable to minimize it as in optical fibers and waveguides, or to enhance it as in solar cells and photodetectors. We describe here a new optical scheme that controllably produces high optical absorption over a broad wavelength range (hundreds of nm) in systems that have low intrinsic absorption over the same range. This effect, 'coherent perfect absorption' or CPA, arises from a subtle interplay between interference and absorption of two beams incident on a weakly absorbing medium. In the first part of this study, we present an analytical model that captures the relevant physics of CPA in one-dimensional photonic structures. This model elucidates an absorption-mediated interference effect that underlies CPA – an effect that is normally forbidden in Hermitian systems, but is allowed when conservation of energy is violated due to the inclusion of loss. As a concrete example, we consider a Fabry-Pérot resonator containing a lossy dielectric and confirm this model through a computational study of a 1-micron-thick silicon layer in a cavity formed of dispersive mirrors with aperiodic multilayer design. We confirm that one may achieve 100% absorption in this thin silicon layer (whose intrinsic absorption is only ~ 3%) in the near-infrared. We then design two device models using few-micron-thick aperiodic planar dielectric mirrors and demonstrate (computationally, as well as experimentally) spectrally flat, coherently enhanced absorption at the theoretical limit in a 2-micron-thick film of polycrystalline silicon embedded in symmetric and asymmetric cavities. This coherent effect is observed over an octave-spanning wavelength range of ~800 – 1600 nm utilizing incoherent light in the near-infrared, exploiting mirrors that have wavelength-dependent reflectivity devised to counterbalance the decline in silicon's intrinsic absorption at long wavelengths. We anticipate that the design principles established here may be extended to other materials, broader spectral ranges, and large surface areas. Finally, we study the effect of the angle of incidence on CPA in planar structures. The results of this study point to a path for realizing CPA in such systems continuously over large bandwidths.

Ce mémoire présente une nouvelle méthode permettant de caractériser la phase spectrale d'impulsions courtes se propageant dans de la fibre optique. L'information sur la phase des impulsions est extraite de l'analyse du signal temporel généré par l'interférence entre deux bandes spectrales sélectionnées par un réseau de Bragg. L'accord du réseau de Bragg, par l'application d'une contrainte sur la fibre optique, permet de déterminer la phase relative de toutes les composantes spectrales. Afin d'obtenir une bonne résolution spectrale, le réseau de Bragg est constitué d'une structure de type Fabry-Perot distribué qui transmet deux bandes spectrales distinctes selon la polarisation du signal indicent. Nous traitons le cas d'une modulation en amplitude périodique du signal analysé, avec une validation expérimentale, et nous menons des simulations pour une modulation en amplitude pseudoaléatoire. Nous discutons des limites de cette méthode de caractérisation et nous mettons en évidence l'importance de bien contrôler la polarisation du signal incident. Finalement, nous expliquons pourquoi cette méthode ne s'applique pas à une modulation en amplitude pseudo-aléatoire.

During the past decades, femtosecond laser micro-fabrication has gained growing interests owing to its several unique features including direct and maskless fabrication, flexible choice of materials and geometries, and truly three-dimensional fabrication. Moreover, fiber-optic sensors have demonstrated distinct advantages over traditional electrical sensors such as the immunity to electromagnetic interference, miniature footprint, robust performance, and high sensitivity. Therefore, the marriage between femtosecond laser micro-fabrication and optical fibers have enabled and will continue to offer vast opportunities to create novel structures for sensing applications. This dissertation focuses on design, fabrication and characterization of optical-fiber based interferometric devices for sensing applications. Three novel devices have been proposed and realized, including point-damage-based Fiber Bragg gratings in single-crystal sapphire fibers, all-sapphire fiber-tip Fabry-Pérot cavity, and in-fiber Whispering-Gallery mode resonator / Doctor of Philosophy / Optical fibers are an optical platform with cylindrical symmetry with overall diameter typically within 50 to 500 μm. The miniature footprint and large aspect ratio make it attractive in sensing applications, where intrusion, flexibility, robustness and small size are key design parameters. Beyond that, fiber-optic sensors also possess distinct operational advantages over traditional electrical sensors such as high sensitivity, immunity to electromagnetic interference (EMI), and fully distributed deployment. Owing to the above advances, fiber-optic sensors have been one of the key technologies in the broader sensing field for the past decades. However, the unique cylindrical shape of optical fiber makes it naturally less compatible to those well-developed fabrication technologies in the current sophisticated semiconductor industry. During the past decades, the possibility of three-dimensional (3D) writing inside transparent materials with tightly focused ultrafast laser pulses has attracted attention widely among the academy as well as the industry. Therefore, the marriage between ultrafast laser micro-fabrication and optical fibers have enabled and will continue to offer vast opportunities to create novel structures for sensing applications. This dissertation focuses on design, fabrication and characterization of optical-fiber based interferometric devices for sensing applications. Three novel devices have been proposed and realized, including point-damage-based Fiber Bragg gratings in single-crystal sapphire fibers, all-sapphire fiber-tip Fabry-Pérot cavity, and in-fiber Whispering-Gallery mode resonator.

Les cristaux électro-optiques (EO) comme le LiTaO3, présentent un indice de réfraction qui dépend linéairement, via l'effet Pockels, de l'amplitude d'une composante unique du champ électrique qui lui est appliqué, propriété qui permet de les utiliser comme détecteurs entièrement diélectriques, dédiés à la mesure vectorielle et non perturbative de champs électriques. Comme cette propriété est due à des effets non-linéaires, ces sondes EO possèdent des sensibilités (champ minimum mesurable) intrinsèquement faibles. Des sondes EO basées sur la modulation d'amplitude, utilisant une cavité Fabry-Pérot, permettent néanmoins d'améliorer cette sensibilité de plusieurs ordres de grandeur. Malheureusement les propriétés optiques de ces cristaux dépendent également de la température, engendrant une instabilité temporelle de la réponse EO de la sonde pour des mesures dites de «terrain».<br /> Le système développé au sein de l'IMEP-LAHC, en collaboration avec le centre d'étude de Gramat, et presenté dans ce manuscrit, a permis d'aboutir à la première mesure simultanée d'une composante du champ électrique et de la température avec une précision de l'ordre de 40 mK, et ce pendant plusieurs minutes dans des conditions expérimentales drastiques. Ce transducteur EO présente une réponse plate sur une bande spectrale allant du quasi DC à 16 GHz, une résolution spatiale d'une centaine de micron et une sélectivité supérieure à 25 dB.

Afin de répondre aux contraintes des nouveaux champs d'applications des biocapteurs, le laboratoire LISA a développé un lecteur optique de fluorescence pour des immunoanalyses permettant une détection en continue. Cet instrument, dont le support de la réaction biologique est une lame de verre, utilise le couplage de la fluorescence en champ proche dans celle-ci. Mon travail de thèse a consisté à rechercher les possibilités d'améliorer les performances de compacité, de robustesse et d'adaptabilité du système en cherchant à intégrer les sources d'excitation de type OLED dans la lame de verre. La recherche d'une configuration adaptée à nos contraintes de détection nous a d'autre part poussé à étudier la répartition de l'émission de molécules fluorescentes à l'interface d'un substrat stratifié.<br />Pour ce faire, un modèle théorique basé sur la décomposition en ondes planes de l'émission d'un dipôle a été développé. Ce modèle nous a permis d'étudier à la fois les propriétés d'émission de sources organiques de types OLED ainsi que celles de molécules fluorescentes situées à l'interface d'un milieu massif recouvert ou non par une couche mince. <br />Une étude expérimentale et théorique de sources organique situées à l'intérieur d'une cavité Fabry Pérot a permis de fournir des réponses concrètes aux deux principaux défauts inhérents aux OLED pour leur intégration, la directivité angulaire d'émission et la largeur spectrale. Enfin, l'étude de lame de verre recouverte par une couche mince de Nitrure de Silicium a montré qu'il était possible d'améliorer le rapport signal sur bruit du détecteur et a permis de valider la configuration de l'instrument mis au point au laboratoire.

Les métamatériaux à indice de réfraction négative ont attiré énormément l'attention ces dernières années surtout à cause de leurs propriétés électromagnétiques uniques. Ces matériaux sont des structures artificielles qui présentent des caractéristiques n'étant pas disponibles en matériaux naturels. Récemment, le développement technologique avec de nouvelles techniques de fabrication offrent un grand nombre de nouvelles application et développement de nouveaux matériaux. Il est possible d'obtenir un métamatériau en combinant des structures artificielles périodiquement. Les propriétés uniques du Split Ring Resonator (SRR), les Surfaces à Haute Impédance (HIS), les Surface Sélective en Fréquence (FSS) sont étudiées ainsi que les métamatériaux composés. Il a été démontré avec succès l'utilisation pratique de ces structures dans les circuits et les antennes. Il a été confirmé expérimentalement que les métamatériaux pourrait améliorer la performance des structures considérées dans cette thèse, pour des fréquences où la bande interdite électromagnétique se produit.