O objetivo do presente trabalho foi o estudo e análise da resposta óptica de dispositivos de cristal fotônico uni-dimensional (1D) fabricados através do uso da tecnologia de silício poroso. Os resultados obtidos neste trabalho apresentam contribuições significativas no desenvolvimento de uma tecnologia para a fabricação de dispositivos ópticos em silício. As principais contribuições deste trabalho estão direcionadas ao aprimoramento dos processos de fabricação de cristais fotônicos 1D e processos de tratamento térmico. Os resultados da análise estrutural através de microscopia óptica de varredura (MEV) e da resposta óptica (refletância ou absorbância) mostraram que dispositivos de cristal fotônico fabricados em soluções altamente diluídas de HF apresentam melhor desempenho, tendo sido otimizado o processo de fabricação utilizando-se uma célula de duplo compartimento (célula dupla). A otimização da resposta óptica dos dispositivos foi atribuída ao efeito de minimização das rugosidades de interface e minimização de efeitos de anisotropia na taxa de corrosão durante o processo de anodização eletroquímica. O processo eletroquímico utilizado para a fabricação de cristais fotônicos 1D apresentou limitação quanto ao número máximo de camadas, sendo observado que dispositivos com número de camadas acima de 60 apresentavam degradação das suas camadas superficiais, comprometendo a resposta óptica do dispositivo. Este resultado foi atribuído a efeitos de diluição química das camadas expostas à solução por longos períodos de processo. Os dispositivos fotônicos 1D mostraram-se sensíveis a processos de recozimento térmico, deslocando suas bandas fotônicas proibidas para regiões de menor comprimento de onda devido à mudança do índice de refração das camadas e aos efeitos de expansão e compressão das camadas constitutivas do dispositivo. Os dispositivos de micocavidade Fabry-Perot mostraram-se mais sensíveis aos processos de recozimento térmico. Os resultados obtidos no presente trabalho vislumbram grandes possibilidades de aplicação dos cristais fotônicos de PS na fabricação de dispositivos ópticos na tecnologia de silício como filtros, lentes, cavidades ressonantes, guias de ondas, grades de difração e dispositivos sensores. / The aim of the present work was to study and analyze the optical response of one- dimensional (1D) photonic crystal devices obtained by using the porous silicon technology. The experimental results obtained from this work showed the significant contribution to the development of a technological process for optical device fabrication in the silicon substrate. The most important contributions of the work are pointed out to improve the electrochemical process for device fabrication and thermal annealing process in order to improve the optical response of the devices. The results obtained from Scanning electronic microscopy (SEM) and from the optical response of the devices, showed that devices fabricated in the double cell and diluted HF solution improved their optical response due to minimization of the anisotropy of corrosion rate and decreasing of the surface roughness between layers. The electrochemical process used for device fabrication showed the existence of limitation on the numbers of layers because of the existence of chemical dissolution effect that became important for long time process. The 1D photonic crystal devices in PS technology showed high sensibility to thermal annealing process, due to the refraction index change after thermal annealing the photonic band gap position shift down to low wavelength region. The Fabry-Perot devices showed higher sensibility to thermal annealing process improving their optical response after annealing process. The results obtained from the present work showed that the PS 1D photonic device could be applied to optical devices fabrication in silicon technology such as optical filters, lenses, resonant cavities, wave-guide devices, diffraction grade and optical sensor device.

In der vorliegenden Promotion werden zwei ausgewählte Iridate mit Elektronen-Spin-Resonanz untersucht. Bei der ersten Probe handelt es sich um das Doppelperowskit Ba2YIrO6, das nach simpler theoretischer Auffassung kein paramagnetisches Signal besitzen sollte. Allerdings zeigen unterschiedliche magnetische Messungen schwache magnetische Spinkorrelationen. Mit Hilfe von ESR kann die Ursache dieser Signale paramagnetischen Verunreinigungen zugeschrieben werden. Zudem kann der Ursprung dieser Defekte mit zwei unterschiedlichen Oxidationsstufen des Iridiums assoziiert werden.    Bei der zweiten untersuchten Iridat-Probe La2CuIrO6 handelt es sich ebenfalls um ein Material mit Doppelperowskit-Struktur, allerdings interagieren hier zwei grundlegend verschiedene Spinsorten miteinander. Zum einen der sich aus der starken Spin-Bahn-Kopplung ergebende Jeff=1/2 Pseudospin des Iridats und zum anderen der reine S=1/2 Spin des Kupferions. Innerhalb der Kristallstruktur ergibt sich daraus eine komplexe antiferromagnetische Spinstruktur mit einer kleinen Verkippung der Spins. Diese nicht-kollineare Spinanordnung geht auf die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung zurück und führt letztendlich zu einem kleinen ferromagnetischen Nettomoment. Mit ESR konnte dabei vor allem die temperaturabhängige Wechselwirkung der einzelnen Untergitter gezielt untersucht werden. Zusätzlich zum experimentellen Teil war eine der Kernaufgaben dieser Arbeit die technische Realisierung eines Fabry-Perot Resonators. Ziel des Resonators ist dabei die Erhöhung des Signal/Rauschverhältnisses sowie die Implementierung die Probe innerhalb der Messapparatur zu rotieren. Um ein besseres Verständnis des zugrundeliegenden Resonanzverhaltens zu erhalten, wurden zudem einige Simulationen zum Verhalten der elektromagnetischen Wellen innerhalb des Resonators durchgeführt.

Ce travail de recherche a été mené afin d'introduire une nouvelle classe de résonateurs Fabry-Pérot (FP) : les cavités FP incurvées basées sur des miroirs de Bragg sans revêtement, de forme cylindrique sont obtenues par micro-usinage du silicium. Une autre spécificité est la longueur de la cavité relativement grande (L> 200 µm) combinée à un haut facteur de qualité Q (jusqu'à 10^4 ), pour répondre aux applications de type spectroscopie d'absorption améliorée par résonance optique, dans lesquelles le produit Q.L est une figure de mérite. Dans ce contexte, l'architecture de base a été modélisée analytiquement pour déterminer les modes transverses d'ordre élevé supportés par de telles cavités. Par conséquent, les conditions expérimentales qui conduisent à une excitation préférentielle (ou rejet) de ces modes ont été testées menant à la validation de notre modèle théorique et à une meilleure compréhension du comportement de la cavité. Une seconde architecture,basée sur la cavité FP incurvée avec une lentille cylindrique a été développée dans le but de fournir une architecture plus stable. Cette dernière a été également modélisée, fabriquée et caractérisée, menant à l'amélioration attendue en termes de performances. D'un autre côté, un point surlignant l'une des applications potentielles que nous avons identifiées pour les cavités incurvées est présentée en insérant la cavité dans un système électromécanique. Ceci consiste à exciter et mesurer les vibrations d'amplitude nanométrique par couplage opto-mécanique dans un résonateur mécanique MEMS intégrant une cavité optique FP. Enfin, comme complément à notre étude sur les résonateurs, nous avons commencé à explorer les applications des interféromètres optiques à base de miroirs de Bragg en silicium. À cette fin, un microsystème de mesure optique a été conçu, fabriqué et caractérisé, il consiste en une sonde optique pour la profilométrie de surface dans des milieux confinés, basé sur un interféromètre de Michelson monolithique en silicium / This research work has been conducted to introduce a novel class of Fabry-Perot (FP) resonators : curved FP cavity based on coating-free Bragg mirrors of cylindrical shape, obtained by silicon micromachining. Another specificity is the rather large cavity lengths (L>200 µm) combined with high quality factor Q (up to 104), for the purpose of applications requiring cavity enhanced absorption spectroscopy, in which the product Q.L is a figure of merit. In this contest, the basic architecture has been modeled analytically to know the high order transverse modes supported by such cavities. Hence, the experimental conditions which lead to preferential excitation (or rejection) of these modes have been tested experimentally leading to the validation of our theoretical model and to a better understanding of the cavity behaviour. A second architecture, based on the curved FP together with a fiber rod lens has been developed for the purpose of providing stable designs. It was also modeled, fabricated and characterized leading to the expected performance improvements. On another side, a highlight on one of the potential applications that we identified for the curved cavities is presented by inserting the cavity into an electro-mechanical system. It consists of exciting and measuring tiny vibration through opto-mechanical coupling in a MEMS mechanical resonator embedding an FP cavity.Finally, as a complement to our study on resonators, we started exploring applications of optical interferometers based on similar micromachined silicon Bragg mirrors. For this purpose, an optical measurement microsystem was designed, fabricated and characterized ; it consists of an optical probe for surface profilometry in confined environments, based on an all-silicon Michelson interferometer

In the past decades, the miniaturization in optics led to new devices with structural sizes in the range of the light wavelength, where the photonic modes are con- fined and the number of states is limited. In the smallest microcavities, i.e. micrometer sized optical resonators, the propagation of only one mode is permitted that is simultaneously amplified internally. This particularly strong enhancement of the electric field is directly related to the quality factor of the cavity. By introducing an optical dipole into a high-Q microcavity, the spontaneous emission is amplified at the cavity mode frequency enabling stimulated emission in an inverted system. Although some of theses cavity e®ects can only be understood by quantum elec- trodynamic theory, most mechanisms are accessible by classical and semi-classical approaches. In this thesis, one-dimensional planar microcavities with quality factors up to 4500 have been fabricated by physical vapor deposition of dielectric thin films and organic active materials. A new cavity design based on anisotropic dielectric mirrors grown by oblique angle deposition microcavities with two energetically shifted orthogonally polarized modes is presented. The application of these anisotropic structures for terahertz di®erence signal generation is demonstrated in spectrally and time resolved transmission experiments, where optical beats with repetition rates in the terahertz range are observed. Optically pumped organic vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) have been realized by applying an organic solid state laser compound and high reflectance distributed Bragg reflectors. These lasers combine a very low laser threshold with small beam divergence and good stability. A transfer of the anisotropic design towards an organic VCSEL results in the generation of two perpendicularly polarized laser modes with a splitting adjustable by the fabrication conditions. The observation of an oscillation of two laser modes in a photomixing experiment proves a phase coupling mechanism. This demonstrates the potential of the anisotropic cavity design for a passive or active component in a terahertz radiation source or frequency generator. Furthermore, microcavities with two and three coupled resonators are investigated. By the application of time-resolved transmission experiments, spatial oscil- lations of the internal electric field - photonic Bloch oscillations - are successfully demonstrated. In combination with the anisotropic microcavities, this is a second concept for the modulation of transmitted light with terahertz frequencies. All experiments are accompanied by numerical or analytical models. Transmission experiments of continuously incident light and single laser pulses are compared with transfer matrix simulations and Fourier transform based approaches. For the modeling of emission experiments, a plane wave expansion method is successfully used. For the analysis of the organic VCSEL dynamics, we apply a set of rate equations that explains the gain switching process.

Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Einstein dans sa théorie de laRelativité Générale. Elles sont des perturbations de l’espace-temps que lon essaie de mettre en évidence parinterférométrie laser. Plus précisément les détecteurs sont des interféromètres de Michelson de plusieurs kmde long combinés avec des cavités Fabry-Perot afin d'augmenter la sensibilité de linstrument. La premièregénération de détecteurs (Virgo, LIGO, GEO) n’a pas permis d’obtenir une détection directe malgré plusieursphases d’observations en coïncidence à la sensibilité prévue. Une seconde g´enération de détecteurs estactuellement en préparation avec notamment le projet européen Advanced Virgo. Ce détecteur devraitavoir une sensibilité améliorée d’un ordre de grandeur par rapport à linterféromètre Virgo. Les miroirs del’interféromètre jouent un rôle primordial dans la sensibilité d’Advanced Virgo puisque celle-ci est limitéeà dans les fréquences médianes par le bruit thermique des miroirs et aux hautes fréquences par la quantitéde photons que lon arrive à collecter dans les cavités de linterféromètre. La haute puissance contenue dansles cavités Fabry-Perot induit des effets de lentille thermique importants. Cette thèse s’intéresse dans unpremier temps aux effets de lentille thermique dans linterféromètre pour différentes configurations optiques.Par la suite, nous nous intéresserons aux miroirs qui composent les cavités Fabry-Perot depuis la définitiondes besoins en termes de planéité à la réalisation de cette planéité et à sa mesure. La planéité de ces miroirsdoit être sub-nanométrique de faon à limiter les pertes optiques dans les cavités Fabry-Perot et ainsi r´eduireles effets du bruit de photons et de la lumière diffusée. Nous verrons la réalisation de la correction de laplanéité des substrats par la technique dite du traitement correctif. Nous étudierons aussi l’uniformité dudépôt des couches minces diélectriques nécessaires à l’obtention de surface hautement réfléchissante avec enparticulier l’étude du mouvement planétaire des substrats dans la machine de dépôts. / Gravitational waves have been predicted by Einstein in his General Relativity theory. Theyare perturbation of the space-time metric and we try to reveal them by laser interferometry. More precisely,gravitational wave detectors are km long Michelson interferometers combined with Fabry-Perot cavities.The network of first generation detectors (Virgo, LIGO, GEO) did not permit a direct detection afterseveral observational runs in coincidence at the nominal sensitivity. A second generation of detectors is inpreparation with in particular the European project Advanced Virgo. This detector should have a sensitivityincreased by an order of magnitude compared to Virgo. The interferometer mirrors play a crucial role inthe Advanced Virgo sensitivity as it is limited by the mirror thermal noise in the mid-frequency regionand by the amount of photons collected in the interferometer cavities at high frequencies. The high powercirculating in the Fabry-Perot cavities induces important thermal lensing effect. This thesis is interestedfirst in the thermal lensing effect in the interferometer for different optical configurations. Then we areinterested in the mirrors composing the Fabry-Perot arm cavity from the calculation of the requirements interms of flatness to the realization of the mirrors flatness and its measurement. The mirror flatness shouldbe sub-nanometric in order to limit the optical losses in the Fabry-Perot cavities to reduce the effect of theshot noise and of the diffused light. We will see the correction of the substrates flatness by the so-calledcorrective coating technique. Finally, we study the uniformity of the dielectric multilayer coating depositionnecessary to obtained high-reflective mirrors. We study in particular the planetary motion of the substratesin the coating machine.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le développement de références de fréquence optique, ou lasers ultra-stables. Ceux-ci sont obtenus en asservissant la fréquence d’un laser sur une cavité Fabry-Perot de haute finesse. Un premier laser est asservi sur une cavité commerciale en verre ULE et une stabilité relative de fréquence de 1; 9x 10-15 est obtenue à1 s. Ce signal optique est transféré dans le domaine des fréquences micro-ondes par un laser femto-seconde.Le signal obtenu à10 GHz dispose d’un bruit de phase de -104 dBc=Hz à1 Hz. Dans un second temps, une cavité ultra-compacte de 25 mm est développée. Des simulations par éléments finispoussées ont conduit à la fabrication d’une nouvelle géométrie de cavité, dotée de coefficients de sensibilité accélérométriques simulés inférieurs à10-12=(m=s2) selon toutes les directions. Une enceinte à vide compacte, munie d’un banc optique embarqué, a été réalisée de façon à limiter le volume du système complet à environ 40 L. Enfin, une cavité cryogénique en silicium a été conçue. Régulée à une température de 17 K, elle sera limitée par son bruit thermique à un palier de stabilité relative de fréquence de 3x10-17. Un cryogénérateur à faibles vibrations est utilisé pour atteindre cette température. Des modélisations par éléments finis de la cavité ont permis d’obtenir une sensibilité accélérométrique simulée de 4:5 x10-12=(m=s2). / The work described in this document deals with optical frequency references, or ultrastable lasers. They are obtained from the frequency locking of a laser on a high finesse Fabry-Perot cavity. A first laser is stabilized on a commercial ULE Fabry-Perot cavity and exhibits a 1:9 x10-15 fractional frequency instability at 1 s. A femtosecond laser is phased lock to this ultrastable laser and allows generating an ultra-pure microwave signal. At 10 GHz, the signal exhibits a -104 dBc/Hz phase noise at 1 Hz. In a second project, we design a 25 mm ultra-compact cavity. Extensive finite element modeling led to a new spacer geometry, with simulated acceleration sensitivities below 10-12=(m=s2) in all directions. A compact vacuum chamber with embedded optical set-up has been developed to reduce the size of the system. Finally, a cryogenic silicon cavity has been designed. It will be cooled down to 17 K. At this temperature, its thermal noise would limit its fractional frequency instability to3 x 10-17. A low vibration cryogenerator is used to reach this temperature. Finite element modeling led to 4:5x 10-12=(m=s2) acceleration sensitivity.

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Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

A pair of high-stability optical frequency references has been developed. The devices are based on room temperature Fabry-Perot cavities with mirrors spaced apart by a hollow single-crystal sapphire element. The sapphire element delivers mechanical sti ness that provides improved immunity to vibrational perturbations compared with the more common spacers made from ultra-low expansion glass. The system is housed in an vacuum chamber designed to provide isolation from environmental perturbations through the use of an active thermal control system, suspension legs and a unique beam alignment system. The dimensional stability of the Fabry-Perot was translated into a highly stable laser frequency by frequency locking a 1064nm Nd:YAG laser to the centre of a mode of the cavity. This frequency lock was implemented by the Pound-Drever-Hall scheme. By careful design, this control system was able to hold the frequency of the laser to within parts in 1016 of the frequency of the fundamental cavity mode. The minimum fractional frequency stability of the laser frequency was measured at 2.1x10[-]14 for integration times of 0.8 s, limited by the residual instability of the Fabry-Perot cavity. The experimental methods used to measure the performance of the system have also been considered in depth. For example, the most common way of characterizing the frequency stability of a frequency standard is the Allan variance. It is demonstrated that, without care, data taken with modern frequency counters can produce erroneous and distorted results when their output is supplied to this algorithm. The method to avoid or account for these errors is also presented. The Fabry-Perot cavity performance is limited on long timescales by residual temperature uctuations, which can be ameliorated in future by enhancing the design of the thermal control system. At short timescales, the system is limited by vibration-induced uctuations together with a white noise source, that is yet to be identi ed, but may relate to fundamental thermodynamic temperature uctuations of the sapphire spacer. This system was used to measure the stability of an optical signal synthesised from a cryogenic microwave sapphire oscillator using an wide-band optical frequency comb. This was the rst demonstration of a multiplication of an ultra-stable signal from the microwave frequency domain into the optical frequency domain, without loss of delity at the level of 2x10[-]14.

L'objectif principal de cette thèse porte sur l'étude et la conception d'une cavité Fabry Pérot de haute finesse pour amplifier un faisceau laser dans le but d'atteindre des gains de puissance allant de 1E4 à 1E5. Cette cavité est destinée à la production de rayons-X intenses et monochromatiques pour des applications médicales (anneau médical RADIOTHOMX) et de rayons gamma, pour la source de positrons polarisés pour les collisionneurs linéaires CLIC "Collisionneur Linéaire Compact" et ILC "International Linear Collider", par interaction Compton entre un faisceau laser de grande puissance et un faisceau d'électrons. <br />Pour augmenter la luminosité de l'interaction Compton aux points de collisions, il est essentiel d'avoir non seulement un faisceau laser de très grande puissance mais il faut aussi que le faisceau soit très focalisé au point d'interaction. Pour atteindre de telles performances, deux cas de figures se présentent : une cavité concentrique mécaniquement instable ou une cavité à quatre miroirs plus complexe mais plus stable. Nous avons testé numériquement la stabilité mécanique et la stabilité de polarisation des modes propres de la configuration non planaire de différentes géométries de cavités à quatre miroirs. Expérimentalement, nous avons développé une cavité à quatre miroirs tétraédrique, des rayons de l'ordre de 20 micromètres ont été obtenus. Les modes propres de cette cavité, dans ses deux géométries planaire et non planaire, ont été mesurés et comparés aux résultats calculés numériquement. Un bon accord a été observé. <br />Dans un deuxième temps, l'impact de l'interaction Compton sur la dynamique transverse, dans le cas de la source de positrons polarisés, et sur la dynamique longitudinale, dans le cas de l'anneau médical, du faisceau d'électron a été étudié. La diffusion Compton provoque une perte d'énergie et induit une dispersion d'énergie additionnelle du faisceau d'électrons. Dans le cas de la source de positrons polarisés, dix points de collisions sont prévus. La ligne de focalisation a été déterminée et une modélisation de l'effet de l'interaction Compton sur le transport du faisceau, avec un calcul matriciel simple, a été faite. Dans le cas de l'anneau médical, l'interaction Compton provoque l'allongement du paquet d'électrons, qui à son tour influence le flux de rayons-X produit. Une étude de la dynamique longitudinale du faisceau d'électrons dans l'anneau a été présentée. Les paramètres de l'anneau qui permettent d'optimiser la luminosité de l'interaction Compton ont été discutés. Le flux de rayons-X qui peut être atteint avec ces paramètres est de l'ordre de 1E13 photons/s.