Des structures phononiques ou cristaux phononiques constitués de réseaux ordonnés de tubes en acier favorisent l'existence de bandes interdites et de bandes passantes. Les premières sont des domaines fréquentiels où une onde incidente ne peut traverser de telles structures. En introduisant de légères variations sur le positionnement des tubes, il est possible d'élargir considérablement les bandes interdites. En faisant varier l'épaisseur des tubes dans un cristal phononique à symétrie carrée, l'effet d'une onde plane incidente parallèlement à la direction de variation est de créer de fines bandes passantes dans la bande interdite obtenue initialement lorsque les tubes ont même épaisseur. Si l'on envoie l'onde incidence perpendiculairement à la direction de variation de l'épaisseur des tubes, on crée des lentilles acoustiques convergentes ou divergentes déviant les faisceaux acoustiques. Enfin, lorsque dans un cristal composé de tubes en polyéthylène on insère une allée de tubes en acier en forme de virages, les simulations numériques montrent qu'une onde acoustique peut être guidée aux fréquences correspondant aux bandes passantes du cristal phononique entièrement en acier.

Le développement de nouvelles technologies pour l'affichage et la vidéoprojection est au cœur des recherches actuelles. Les sources lasers RGB (Red-Green-Blue) apparaissent comme la solution la plus prometteuse. La miniaturisation de telles sources est un défi mais laisse entrevoir de nombreuses applications. Ce travail de thèse s'inscrit à l'interface de ces deux problématiques : la réalisation d'une source laser RGB efficace à partir d'un unique matériau dans l'optique de réduire les coûts de fabrication, et la miniaturisation de cette source par le développement de guides d'ondes microstructurés, assurant ainsi son intégrabilité. Dans cette optique, les verres de fluorozirconates appartenant au système ZBLA (Zr - Ba - La - Al) dopés Praséodyme sont étudiés. Le Praséodyme, présente trois émissions caractéristiques dans le bleu (478 nm), le vert (532 nm), et le rouge (635 nm) et peut être pompé dans le bleu à l'aide d'une diode laser bleue GaN (443 nm). Des guides d'ondes canalisés peuvent être réalisés à la surface des verres de fluorozirconates en utilisant le procédé simple et flexible de l'échange ionique F->Cl-. L'étude est donc divisée en plusieurs phases : élaboration et caractérisation du matériau et réalisation de guides d'ondes canalisés par échange ionique, étude spectroscopique de la terre rare, mesures d'amplification optique et caractérisation du potentiel laser du couple matrice/terre rare.

La mission Darwin, un projet d'interférométrie spatiale initié par l'ESA, nécessite l'utilisation de filtres modaux fonctionnant dans la gamme spectrale [6-20 µm]. Dans le cadre de ce travail, nous proposons la réalisation de filtres modaux basés sur des guides d'onde « tout tellurures » obtenus par la méthode d'empilement et de gravure. L'originalité de ce travail réside dans le fait que les guides réalisés sont de grandes dimensions (couches épaisses et profondeurs de gravure importantes), pour satisfaire aux exigences du projet. La première étape a donc consisté à choisir une méthode de dépôt qui permette d'obtenir des couches épaisses. La co-évaporation thermique a ainsi été mise en place et les paramètres de dépôt optimisés. Des couches d'épaisseur pouvant atteindre 17 µm, de bonne qualité (adhérentes, amorphes, denses et homogènes), transparentes de 6 à 20 µm et d'indice de réfraction contrôlé ont pu être obtenues. La gravure physique réactive (RIE) de ces couches, en utilisant un mélange gazeux CHF3/O2/Ar, a constitué la deuxième partie de ce travail. L'obtention de marches de profondeur pouvant dépasser 10 µm, présentant des profils de gravure de qualité, a été démontrée. Les différents guides d'onde IR réalisés ont été caractérisés optiquement après préparation de leurs faces d'entrée et de sortie. L'observation d'un bon confinement de la lumière sur un banc de guidage à λ = 10,6 µm et l'obtention d'un taux de réjection de 10-3 sur un banc d'interférométrie annulante nous ont permis de confirmer que les guides d'onde à base de couches tellurures et réalisés par la méthode d'empilement et de gravure constituaient une solution de choix en tant que filtres modaux pour l'interférométrie spatiale. / The Darwin mission, an interferometric spatial project initiated by ESA, requires modal filters being able to work in the whole spectral range [6-20 µm]. In the framework of this work, we propose the realization of modal filters based on waveguides obtained by stacking and etching chalcogenide films. The originality of this work lies in the fact that the realized waveguides have large dimensions (thick films and deep etching), to satisfy the project requirements. The first step consisted in choosing the deposition method which allows obtaining thick films. The thermal co-evaporation was setting up and the deposition parameters were optimized. Films with thickness which can reach 17 µm, of good quality (adhesive, amorphous, dense and homogeneous), transparent from 6 to 20 µm and with controlled refractive index were obtained. The physical reactive etching of these films, by using a gas mixture CHF3/O2/Ar, constituted the second part of this work. The obtaining of deep rib which can exceed 10 µm, presenting etching profiles of good quality was demonstrated. The elaborated IR waveguides were optically characterized after preparation of their entrance and exit faces. The observation of light confinement on a guiding bench at λ = 10.6 µm and the obtaining of a rejection rate of 10-3 on a nulling interferometry bench allowed confirming that the waveguides based on the stacking and etching of telluride films was a choice solution as modal filters for the spatial interferometry.

L'intérêt des guides d'onde à base de couches minces chalcogénures pour des applications dans l'infrarouge comme la métrologie de l'environnement, l'amplification optique ou l'interférométrie spatiale est démontré. La réalisation de ces guides par empilement et gravure de couches non dopées ou dopées erbium est ensuite décrite, étape par étape. La première d'entre elles a consisté à acquérir la maîtrise du dépôt des verres chalcogénures purs par pulvérisation cathodique radiofréquence. Des films de bonne qualité et aux propriétés reproductibles ont pu être obtenus. La dépendance des propriétés des films en fonction de leur épaisseur a été mise en évidence. La deuxième étape concerne le dopage erbium des couches minces chalcogénures, pour la réalisation de composants actifs. L'introduction de l'erbium sous sa forme optiquement active Er(3+) a pu être mise en évidence par la présence du phénomène de photoluminescence dans les couches. Les premières mesures de durées de vie sont par ailleurs très encourageantes. La troisième étape de la réalisation des guides d'onde est la gravure des couches guidantes : trois types de gravure (gravures chimique, sous plasma inerte et sous plasma réactif) ont été testés et comparés. Des marches de bonne qualité ont pu être obtenues par chacune de ces trois méthodes. La dernière étape décrite dans ce manuscrit est la réalisation et la caractérisation des guides proprement dits : deux types de guide (TIR et ARROW) ont été réalisés et testés avec succès.

Les besoins en dispositifs opto/hyperfréquences, pour moduler les informations en transit sur les réseaux de télécommunications fibrés et hertziens, ont conduit au développement de matériaux organiques actifs en optique non linéaire, prometteurs en terme de performance mais limités par une faible stabilité dans le temps de leurs propriétés.<br />L'objectif de ce travail était de caractériser les propriétés optiques du polymère PGMA-DR1 (PIII), ainsi que d'étudier sa mise en forme et son intégration dans une structure guidante en vue de la réalisation d'un modulateur électro-optique.<br />La caractérisation de l'orientation des chromophores du PIII par génération de seconde harmonique a mis en évidence la capacité du matériau, après réticulation, à conserver ses propriétés sur une durée de plus d'un an. La structuration du polymère d'étude sous la forme d'un guide d'onde canal monomode, par un procédé de photolithographie et de gravure ionique réactive, nous a permis d'étudier ses propriétés de guidage, conduisant à des atténuations linéiques comprises entre 10 dB/cm et 3 dB/cm à 1,55 µm. De plus, des techniques alternatives de structuration du polymère par impression ont été étudiées. Les procédés d'emboutissage à chaud et de réplique par moulage permettent de simplifier la technologie de réalisation des guides. Finalement, la possibilité de réaliser in-situ l'étape d'orientation des chromophores, par procédé de poling en géométrie plan-plan, lors de la mise en forme du matériau a été démontrée.

Le présent travail a été consacré à l'étude des non linéarités de troisième ordre dans des structures intégrées à base de silicium exploitant des configurations de cavités à miroir de Bragg (nanobeam) et guides à cristaux photoniques à modes lents. Tout d'abord, nous avons développé une méthode non destructive à faisceau unique pour caractériser les effets de troisième ordre instantanés, c’est-à-dire la quantification de la susceptibilité complexe effective dans les guides d'ondes. La méthode a été dénommée "Top-hat D-Scan bi-directionnelle" et constitue un analogue temporel de la méthode Top-hat Z-Scan développée précédemment. Nous avons établi un modèle analytique et numérique et nous rendons compte de la première mesure d'un guide d'ondes en silicium utilisant une impulsion mis en forme dans un étireur et complétée par une procédure d’injection bi-directionnelle. L’ensemble instrumental développé constitue une expérience de métrologie des effets non-linéaires dans des guides d’ondes silicium au meilleur niveau de l’état de l’art. La méthode proposée a été validée dans des guides SiGe, chalcogénures et nitrure du silicium. Forts de cet outil métrologique, nos travaux d’exploration des interactions non linéaires lumière-matière ont été consacrés à deux grandes familles de nanostructures photoniques : des microcavités optiques et guides d'ondes en régime de lumière lente. Dans la première des deux situations, les variations d'indice provoquées par les non linéarités sont responsables d’un décalage des fréquences de résonance excluant sa coïncidence avec la fréquence du signal d'excitation et diminuant ainsi l'efficacité de l'injection optique de manière drastique. Afin de maintenir le bénéfice de localisation de la lumière tout au long de l'excitation pulsée, nous avons expérimentalement et numériquement étudié le comportement d'une cavité en silicium conçue, fabriquée, et enfin excitée par une impulsion présentant une puissance crête élevée. En contrôlant temporellement la phase des composantes spectrales injectée, la relation de phase spectrale compensant la dérive de fréquence non linéaire de la résonance de la cavité, nous avons effectué la première démonstration expérimentale de l'excitation cohérente d'une micro-cavité silicium non linéaire. Enfin, nous avons consacré des efforts importants pour concevoir, fabriquer et caractériser des guides d'ondes à cristaux photoniques (SPhCW) en silicium à fente, matrice d’une intégration hybride de matériaux optiques non-linéaires sur silicium. Les résultats rapportés fournissent la première preuve expérimentale d’un contrôle précis des propriétés de dispersion de guides à cristaux photoniques à fente propres à être remplis par des matériaux souples comme des polymères ou des couches minces dopées. La dispersion de groupe des modes lents guidés est contrôlable en signe et en amplitude et correspond à des bandes passantes optiques exploitables (~10nm). Ces résultats démontrent l’intérêt direct pour le traitement des données tout-optique sur puce des guides à modes lents à cœur creux utilisant des effets optiques non linéaires d’ordre trois pour le traitement tout-optique des données sur puce. / All-optical signal processing implemented in silicon photonics is considered as a promising route to solve several bottlenecks for the realization of future dense and mixed integrated electronic and photonic chips including ultrahigh data bit rate issues and power consumption constraints. In the context of the planar silicon photonics technology, a dramatic reduction of the needed power to reach optical nonlinear effects is obtained due to the sub-micrometer size of silicon wires (~450nmX260nm) in the telecommunication wavelength window, although silicon does not exhibit second-order response (χ^((2))) due to the centrosymmetry of its lattice. Moreover, third-order effects (χ^((3))) are partially spoiled in this material due to the strength of the two-photon-absorption (TPA) effect, which in turn generates free-carriers inducing additional absorption and refractive index changes. One way to overcome this limitation is the hybrid integration on silicon of low index soft materials with luminescence or nonlinear optical properties lacking to silicon. In this context, the present work is devoted to the study of third order nonlinearities in silicon-based integrated structures exploiting enhanced electromagnetic field effects (e.g. in Si resonators and slow light waveguides). First, we have developed a dedicated single beam non-destructive method to characterize the instantaneous third order effects though the quantification of complex effective waveguide susceptibility. The method is named “Bi-directional top-hat D-Scan” and consists on a temporal analogous of the top-hat Z-Scan. We have established an analytical and numerical model and we report the first measurement of a silicon waveguide by using a pulse shaping set-up and a bi-directional procedure. The originality of our methods stands in the capability to measure in two steps : the 3rd order nonlinear Figure-Of-Merit (FOM) independently of the injection losses, and the effective nonlinear waveguide parameters (Kerr and TPA) taking into account measured coupling losses at each facet. Furthermore, we apply the method to other integrated novel materials including Ge-rich GeSi alloys, carbon nanotube doped thin films, and chalcogenide waveguides. Additionally, two further enhancements of light-matter nonlinear interactions have been explored within this work: optical microcavities and slow light waveguides. In the first picture, index variations caused by non-linearities shift the resonance frequencies precluding the coincidence with the excitation signal frequency, thereby decreasing the injection efficiency. In order to maintain the benefit of light localization throughout the pulsed excitation, we have experimentally and numerically studied the behavior of a designed and fabricated silicon nanobeam cavity excited by a high power tailored chirped pulse whose spectral phase relation compensates for the nonlinear frequency drift of the cavity resonance. We report a numerical study of this first experimental demonstration of the coherent excitation of a nonlinear micro-cavity, leading to an enhanced intra-cavity nonlinear interaction. Finally, we have dedicated efforts to engineer, fabricate and characterize silicon slot photonic crystal waveguides (SPhCW) in order to compensate their strong dispersion present in the slow light regime while taking benefit from large group index light propagation. We showed that their frequency dispersion properties can be engineered from anomalous to normal dispersion, along with zero group velocity dispersion (ZGVD) crossing points exhibiting a Normalized Delay Bandwidth Product (NDBP) as high as 0.156. The reported results provide the first experimental evidence for an accurate control of the dispersion properties of fillable periodical slotted structures in silicon photonics, which is of direct interest for on-chip all-optical data treatment using nonlinear optical effects in hybrid-on-silicon technologies.

Pour un laser semiconducteur, la démonstration de fonctionnements en régime continu et à température ambiante est une étape cruciale à franchir pour en faire des dispositifs optoélectronique à part entière. Dans ce but, on cherche à améliorer leur température maximale de fonctionnement en régime continu et à limiter la puissance électrique injectée. Pour répondre à ces deux besoins essentiels, des travaux d'optimisation ont été menés au cours de cette thèse sur des lasers à cascade quantique (LCQ) émettant à lambda~9µm.<br />Une optimisation des guides d'onde des LCQ en GaAs/AlGaAs a été entreprise afin de diminuer les densités de courant de seuil et augmenter les rendements de ces lasers ; grâce à des guides utilisant des couches en AlGaAs ou en GaInP, de nouvelles performances ont été atteintes pour ces lasers. La réalisation d'injection sélective de courant par implantation de protons permet aux LCQ en GaAs/AlGaAs de réduire leurs courants de fonctionnnement, et d'améliorer leur propriétés thermiques. Nous avons expérimenté cette technique sur des LCCQ en GaInAs/AlInAs/InP.<br />L'influence d'une couche épaisse d'or, déposée sur le dessus des guides rubans pour améliorer la dissipation de chaleur, a également été étudiée. Les performances des deux types de LCQ seront comparées et les perspectives sur leur développement seront discutées.

Le projet s'inscrit dans le développement de sources lasers RGB miniaturisées pour l'affichage et la vidéoprojection, la conversion de fréquence dans les cellules solaires.Les verres fluorés ZLAG (ZrF4-LaF3-AlF3-GaF3) codopés terres rares ont été considérés. Ce verre possède une faible énergie de phonon, une forte solubilité des terres rares et peut être fabriqué en couche mince par la technique PVD. Il est de plus le précurseur de vitrocéramiques transparentes. On a observé dans les verres massifs et les guides d'onde des émissions bleue, orange et rouge avec un codopage Pr3+-Yb3+, bleue et rouge avec un co-dopage Tm3+-Yb3+. L'émission RGB dans les verres tri-dopés Tm3+-Er3+-Yb3+ semble prometteuse. Par ailleurs, la vitro-céramisation a permis d'augmenter de plus de 30% les sections efficaces d'absorption des ions Pr3+ et Yb3+.Une efficacité de transfert de 92% a été obtenue dans les verres co-dopés 0,5Pr3+-10Yb3+ pour le processus de conversion d'un photon bleu en deux photons IR.

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.

Le développement de sources moyen infrarouge compactes et accordables dans les gammes de transmission de l’atmosphère présente un intérêt majeur dans les secteurs de la défense et de la sécurité. Les sources paramétriques à quasi-accord de phase en configuration guidée sont prometteuses pour gagner en compacité puisque l’on réduit la puissance de pompe nécessaire par rapport aux sources « massives ». Le premier axe de la thèse consiste à étudier des guides d’onde en arséniure de gallium périodiquement orientés (OP-GaAs) adaptés à un pompage par laser fibré et à des puissances relativement élevées. Le second vise à étudier de façon novatrice la possibilité d’intégrer dans un composant monolithique une diode laser en matériaux antimoniures avec un convertisseur de fréquence en antimoniure de gallium (GaSb). L’enjeu dans les deux cas est de réduire au maximum les pertes à la propagation dans ces guides d’onde pour exploiter pleinement leurs propriétés non-linéaires.Ce travail de thèse a permis de modéliser des structures de guides d’onde ambitieuses pour réduire les pertes, de développer les briques technologiques nécessaires à la fabrication de guides d’onde OP-semi-conducteur faibles pertes et de faire de premières caractérisations de ces composants dans le moyen-infrarouge. Les performances de guides d’onde GaAs ruban enterrés ou non ont pu être comparées, donnant une réduction des pertes d’un facteur trois avec des rubans enterrés. Plusieurs générations de guides d’onde GaSb ont vu le jour, et montrent des performances à l’état de l’art des structures en GaAs. En conséquence, diverses solutions ont été explorées pour intégrer une diode laser en matériaux antimoniures avec le guide d’onde convertisseur de fréquence. / The development of compact and tunable mid-infrared laser sources in the atmospheric transmission windows presents a major interest for several security and defense applications. Quasi-phase-matched parametric sources in guided wave configuration are promising solutions to enhance compactness, because of the reduction in pump power requirements with respect to bulk devices.The first axis of this thesis consists in studying orientation-patterned gallium arsenide (OP-GaAs) waveguides, adapted to fiber laser pumping and to relatively high pump power. The second axis is devoted to the original idea of integrating an antimonide based laser diode with a gallium antimonide (GaSb) frequency converter in a monolithic component. The goal in both cases is to minimize propagation losses in those waveguides to exploit the whole potential of their non-linear properties.This work led to model ambitious low-loss waveguides structures, to develop the technological fabrication steps necessary for OP-semiconductor waveguides manufacturing, and to characterize these components in the mid-infrared. The first buried ridge GaAs waveguide structure has been compared to the ridge one, giving a reduction of a factor three in the propagation losses. Several generations of GaSb waveguides have come forward, with constant losses improvement and reach GaAs state-of-the-art performances. Lastly, multiple solutions have been explored in order to integrate an antimonide-based laser diode with the frequency converter waveguide.