Le piégeage et la manipulation d'objets à la surface d'un guide d'onde est une approche intéressante, qui permet d'envisager des développements nouveaux dans le domaine des microsystèmes intégrés. Mais la mise au point de tels dispositifs, était jusqu'à maintenant limitée par la difficulté à comprendre et à maîtriser les phénomènes physiques mis en jeu dans une expérience. Ces points-clé empêchaient la démonstration de la manipulation d'objets biologiques, comme des cellules, sur ces structures. L'utilisation de guides d'ondes optiques représentatifs de technologies de fabrication différentes nous a ainsi permis de juger expérimentalement des forces et des faiblesses propres à chaque technologie et déterminer les conditions les plus favorables en vue d'un déplacement de matériel biologique. L'utilisation de guides en nitrure de silicium a permis une amélioration significative des performances de piégeage et de manipulation de particules sur ces structures.<br />Ceci nous a ainsi permis de réaliser un démonstrateur de propulsion optique et a rendu possible l'application de cette technologie à des objets de masse ou de taille supérieures ainsi qu'à d'autres domaines scientifiques, comme la chimie ou la biologie. Nous avons effectué la première démonstration expérimentale à notre connaissance de la propulsion d'objets biologiques par ondes évanescentes. En particulier, nous avons réalisé des expériences de tri cellulaire de sous-populations dans un mélange. Ceci démontre la capacité à réaliser, sur une faible surface, des expériences biologiques simples grâce à de tels dispositifs et renforce l'espoir d'utiliser une telle technique dans une approche de type laboratoire-sur-puce.

Ce travail présente la préparation et la caractérisation de matériaux hybrides organiques<br />inorganiques pour applications en la photonique. La théorie associée à la préparation des<br />matériaux est décrite et quelques résultats d'autres travaux déjà publiés concernant ces<br />matériaux sont présentés. La structure du matériau obtenu après hydrolyse et condensation est<br />détaillée en présence de différentes quantités de zirconium. Les analyses de rayons X mettent<br />en évidence les particules qui formant ce matériau et l'influence du zirconium sur la forme de<br />cette particule. La spectroscopie dans la région de l'infrarouge a permis l'étude des liaisons<br />caractéristiques du matériau et les modifications structurelles liées à l'ajout de la phase<br />inorganique. Les caractéristiques du matériau ont été analysées par résonance magnétique<br />nucléaire. Les caractéristiques spectroscopiques du matériau sont détaillées, notamment la<br />luminescence intrinsèque du matériau et l'influence du zirconium. On montre que<br />l'introduction de l'ion europium confère de nouvelles propriétés et permet aussi une évaluation<br />structurelle complémentaire du matériau. Diverses applications du matériau étudié sous la<br />forme de couches minces sont présentées. Nous avons obtenu des réseaux de diffraction par<br />holographie, par lithographie, et également un effet laser à contre-réaction répartie dans des<br />films dopés avec la rhodamine 6G.

Thèse doctorat : Électronique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3387. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie de l'Etat Solide : Le Mans : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Th.--Électronique--Toulouse--I.N.P., 1978. N°: 36.

Les effets Pockels de deuxième ordre et les effets Kerr de troisième ordre font partie des effets importants exploités pour la modulation de la lumière et la génération de sources dans les plateformes technologiques de la photonique intégrée. Pour tirer parti de ces non-linéarités en photonique au silicium, l'utilisation de structures optiques sub-longueurs d'onde a été explorée. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'est concentré sur deux aspects principaux, notamment : 1) L’exploration d'un nouveau schéma de cavité photonique pour tirer profit de l'effet Pockels électro-optique dans les structures de silicium contraint pour la réalisation de modulateurs ultra-rapides à faible consommation ; 2) L’exploration d'une nouvelle famille de guides d'ondes conduisant à une satisfaction automatique des lois de conservation énergie/vecteur d’onde pour la génération de peignes de fréquence Kerr au sein des plateformes photoniques intégrées (notamment silicium).Pour améliorer les performances des modulateurs optiques Si résonants intégrés, nous avons mis au point un nouveau résonateur à cavité de Fano qui, grâce à une ingénierie sub-longueur d'onde (λ=1.55µm), a permis d'obtenir simultanément un taux d'extinction élevé (23 dB) avec un faible facteur Q de seulement 5600, et caractérisé par une très faible consommation électrique inférieure à 5 fj/bit quand on utilise l'effet de modulation par dispersion plasma des porteurs libres. Nous avons étendu la méthode à la conception d'une structure de modulation Fano en silicium contraint dont les performances souffrent traditionnellement de la faible amplitude de l'effet Pockels induit par la déformation exploitée et des pertes micro-ondes considérables dues à des composants de grande surface. Au moyen du résonateur Fano ultra-compact à structuration sub-longueur d'onde, une amélioration d'environ 200 fois/60 fois (facteurs Q de 32000/5600) du rapport d'extinction de modulation avec la même tension de commande a été théoriquement prévue. Pour améliorer l'exploitation des non-linéarités Kerr des structures silicium, nous avons proposé une nouvelle famille de guides d'ondes optiques pour satisfaire automatiquement les lois de conservation de l'énergie et du vecteur d’onde des procédés de mélange à quatre ondes (FWM). La conception de la section des guides d'ondes est basée sur un principe hérité des puits quantiques et des concepts hérités des structures sub-longueur d'onde pour la réalisation des profils d'indice particuliers. En nous basant sur ces guides d'ondes spécifiques en terme de dispersion chromatique, nous les avons appliqués à la modélisation des micro peignes de fréquence (en utilisant des résonateurs à micro anneaux) en résolvant l’équation non linéaire pertinente (Lugiato-Lefever) pour analyser de façon dynamique le processus de génération du spectre des peignes à solitons dans diverses configurations. En complément de ce modèle, les guides d'ondes sub-longueur d'onde à accord de phase automatique ont été considérés pour étendre la largeur de bande des peignes de fréquence à solitons, démontrant une largeur de bande élargie et une meilleure flexibilité dans la réalisation des peignes de fréquence relativement aux démonstrations des travaux précédents. Dans l'ensemble, l'une des caractéristiques dominantes de notre étude a été de contribuer à montrer que les structures photoniques sub-longueur d'onde pouvaient apporter des solutions concrètes aux problèmes utiles à la réalisation de fonctions non linéaires sur puce. Les nano-structures sub-longueur d’onde permettent non seulement une amélioration des circuits photoniques passifs, sujet intensivement développé depuis dix ans, mais ont également un fort potentiel pour la réalisation des fonctions actives. Cette boîte à outils de structures sub-longueur d'onde est décisive dans la pratique pour la réalisation concrète de fonctions optiques nonlinéaires intégrées, en particulier en photonique silicium. / Second-order Pockels and the third-order Kerr effects are among the important effects exploited for light modulation and light generation in integrated photonic platforms. To take advantage of these nonlinearities in silicon photonics, especially due to the lack of second order effect in bulk Si, the use of subwavelength optical structures is explored. In this context, this thesis work has focused on two main aspects, including: 1) Exploration of a novel photonic cavity scheme to take benefit of the electro-optical Pockels effect in strained Si structures for the realization of ultra-fast lower-consumption compact silicon modulators; 2) Exploration of a new family of waveguides leading to an automatic satisfaction of energy/momentum conservation for the purpose of Kerr frequency comb generation in integrated photonic platforms. For improving the performances of integrated silicon resonant optical modulators, we have developed a novel Fano cavity resonator enabled by sub-wavelength engineering, leading simultaneously to high extinction ratio (23 dB) with a small Q factor of only 5600, and characterized by an ultra-low power consumption of less than 5 fj/bit when relying on the free carrier plasma dispersion effect. We have further extended the method to design a strained silicon Fano modulation structure which performances traditionally suffer from the weak amplitude of the exploited strain-induced Pockels effect and from considerable microwave losses due to large footprint components. By means of the proposed ultra-compact subwavelength structured Fano resonator, around 200-fold/60-fold (Q factor of 32000/5600) improvement on the modulation extinction ratio with the same driven voltage was theoretically predicted. For improving the exploitation of silicon Kerr nonlinearities, we have proposed a novel family of graded index optical waveguides intending to automatically fulfill the energy and momentum conservation laws of four-wave mixing processes. The design of the waveguide section is based on a principle inherited from quantum wells of wave mechanics and concepts inherited from subwavelength structures for the practical realization of the rather particular index profiles. Standing on these specific waveguides in term of light dispersion, we have applied them to the modeling of frequency micro-combs (e.g. frequency combs generated using micro-ring resonators and a CW light source) by solving the nonlinear relevant equations (Lugiato-Lefever) to dynamically analyze the soliton comb spectrum generation process in various configurations. On top of this model, the specifically automatically phase-matched sub-wavelength-enabled graded-index waveguides were considered to trim and extend the bandwidth of silicon soliton frequency combs, demonstrating enlarged bandwidth and improved spectrum design flexibility with respect to previous works. Overall, one of the dominant features of our study was to contribute to showing that sub-long wavelength photonic structures could provide concrete solutions to problems useful for the realization of on-chip non-linear functions. Subwavelength/nano structures not only benefit to passive photonic circuits which have been intensively developed in the past ten years, but also show strong potentials in the realization of active functions. This subwavelength toolbox is decisive in practice for the concrete achievement of the objectives pursued.

Les cavités diélectriques résonantes quasi-bidimensionnelles présentent un important potentiel pour des domaines aussi variés que la biodétection et la production de rayonnement laser. Leur faible taille - typiquement quelques dizaines de micromètres sur leur plus grand axe - conjuguée à une forte capacité de rétention du rayonnement électromagnétique - facteurs de qualité pouvant atteindre 10^9 - en font d’excellentes candidates à un grand nombre d’applications de haute technologie où la gestion de l’énergie, la précision des mesures, et le volume occupé sont des paramètres critiques. À cela s’ajoute une facilité d’implantation accrue grâce à l’utilisation de principes de microgravure bien connus. Un des défis importants relié à l’utilisation des microcavités demeure la conciliation des hauts facteurs de qualité, la caractéristique fondamentale des microcavités, et de la capacité à produire une émission de radiation directionnelle. C’est sous ce thème général que s’articule cette thèse. Dans un premier temps, l’accent est porté au développement d’un formalisme encadrant la caractérisation des cavités diélectriques. Une méthode originale utilisant la matrice de diffusion comme pierre d’assise est présentée à cette fin. Ensuite, une étude perturbative de la cavité diélectrique la plus simple, le disque, est réalisée. Les observations résultantes sont utilisées comme lignes directrices dans la suite du travail. Dans un second temps, le formalisme développé est appliqué à une cavité présentant une déformation d’indice de réfraction simple, la cavité annulaire. Certaines ‘règles’ de transition vers l’émission directionnelle sont obtenues. Aussi, une discussion sur un modèle de couplage entre un guide d’onde et une microcavité est présentée. Finalement, un concept de cavité découlant de résultats obtenus tout au long de la thèse est présenté. La principe de fonctionnement demande le couplage d’un anneau diélectrique, servant de réservoir de champ électromagnétique à une seconde cavité ‘parasite’ fortement directionnelle. Ce document est rédigé en majeure partie en Anglais pour faciliter sa diffusion autant pour fins d’évaluation que pour consultation ultérieure par la Communauté. / Two-dimensional resonant dielectric microcavities present an important potential in various domains ranging from bio-detection to production of laser radiation. Their small footprint - typically tens of microns over their longest axis - conjugated to a strong capacity to retain the electromagnetic field - quality factors reaching values of 10^9 - make them excellent candidates for a large number of high-tech applications where tight energy management, high precision and low volumes are critical parameters. Moreover, the implantation of microcavities benefit from well-mastered micro-etching techniques. One of the the most challenging issues related to microcavities remains the merging of high quality factors, the fundamental characteristic of microcavities, and the capacity to produce highly directional radiation emission. This thematic forms the leitmotiv of this thesis. First, attention is focused on the development of a formalism framing the characterisation of dielectric cavities. An original method using the scattering matrix is presented for this purpose. Then, a perturbation study of the dielectric disc cavity is carried out. The results gathered from this investigation are used as guidelines for further applications. Second, the scattering formalism is applied to the simplest refractive index deformation of the disc cavity, the annular cavity. Some transition ‘rules’ from non-directional emission to directional emission are obtained. Also, a discussion about the waveguidecavity coupling is presented. This type of configuration is often found in experimental setups using microcavities. Finally, a proposal derived from results obtained throughout the thesis is presented. The operation principle exploits the coupling from a dielectric ring used as an electromagnetic field reservoir to a second strongly directional ‘parasitic’ cavity. This document is written in English to ease its distribution both for evaluation purposes and consultation by the Community.

Le projet de thèse est divisé en deux parties. D’une part, la génération directionnelle et singulière de plasmons de surface (SPPs) par des ouvertures nanométriques a été réalisé et optimisé par le biais de microscopie de fuites radiatives (LRM). Nous démontrons expéri- mentalement qu’une structure plasmonique composée de nano-ouvertures en forme de T et Λ permet de contrôler le couplage unidirectionnel et radialdes SPPs grâce au spin de la lumière incidente. Pour confirmer nos résultats expérimentaux, nous développons un modèle analytique qui décrit les coupleurs plasmoniques constitués de nano-ouvertures par représentation multidipolaire, permettant ainsi une explication théorique de la directionalité et de la formation de vortex plasmonique. L’optimisation des paramètres géométriques tels que l’angle au sommet des ouvertures en forme de Λ montre la possibilité de maximiser la directivité et le taux d’extinction à la fois pour le couplage directionnel et la génération des vortex dans le champ lointain. Parailleurs, notre méthode basée sur la détection LRM, permet une analyse quantitative et est avérée être une technique de caractérisation sophistiquée pour cartographier le champ plasmonique. Il fournit également plusieurs nouvelles possibilités pour la focalisation de SPP contrôlée en polarisation.D’autre part,le couplage spin-orbite de la lumière dans un guide et son effet réciproque sont réalisées et confirmées expérimentalement et théoriquement. Les coupleurs et découpleurs réseaux sur le guide d’ondes sont d’abord développés et étudiés. La sortie parfaite de la lumière confinée par le découpleur nous offre la possibilité de détecter les ondes guidées. La fluorescence des nanocristaux déposés sur la surface de l’échantillon montre une autre possibilité de visualiser directement la propagation de la lumière dans le guide d’onde. Le couplage directionnel contrôlé par spin est réalisé par des antennes en forme de Λ et est confirmé par des images en champ sombre avec des découpleurs et des images de fluorescence. En outre, l’effet réciproque est observé avec une imperfection de polarisation de sortie qui est expliqué théoriquement par le fait que les ordres de diffraction par les antennes en forme de Λ influent sur les états de polarisation finaux. Ainsi, l’effet réciproque est parfaitement réalisé par la sélection d’une région spécifique de diffraction dans le plan de Fourier. La caractérisation quantitative des interactions spin-orbite nous permet d’envisager le développement de nouveaux coupleurs directionnels dans le domaine de la nanophotonique tels que le traitement quantique de l’information. / In this project, two contributions are reported. Firstly, the directional and singular generation of Surface Plasmon Polaritons (SPPs) in the nanoapertures is investigated using the Leakage Radiation Microscopy (LRM). We demonstrate experimentally spin-driven directional coupling as well as singularity (inward) and vortex (outward radial coupling) of SPPs by nanostructures built with T-shaped and Λ-shaped apertures.To support our experimental findings, we develop an analytical model based on a multidipolar representation of Λ- andT-shaped aperture plasmonic couplers, allowing a theoretical explanation of both directionality and singular SPP formation. The optimal apex angle of Λ-shaped apertures shows the possibility to maximize the directiviy and extinction ratio for both directional coupling and singular SPP generation in the far field. Besides, our method based on LRM detection, allows quantitative analysis and is proven to be a sophisticated characterization technique for mapping the SPP vortex field.It also provides several new possibilities for polarization-controlled SPP sub-wavelength focusing.Secondly, the spin-orbit coupling of light into a photonic waveguide and its reciprocal effect are realized and confirmed both experimentally and theoretically. Coupler and decoupler gratings on the waveguide are firstly developed and investigated. The radiation of the confined light from the decoupler provides us a possibility to detect the guided waves. The fluorescence of nanocrystals deposited on the sample surface shows another possibility to directly visualize the light propagation in the waveguide. The spin-driven directional coupling is achieved by Λ-shaped antennas and is certified by the dark field images with decouplers and the fluorescence images. Furthermore, the reverse effect is observed with an imperfection of output polarization which is explained that the diffraction orders by the Λ-shaped apertures influence the final polarization states based on an analytical model. Thus, the reciprocal effect is realized by selecting the specific diffraction region on the Fourier plane. We believe that the quantitative characterization of spin-orbit interactions will pave the way for developing new directional couplers in the field of nanophotonics such as quantum information processing and so forth.

Depuis une vingtaine d'années, on assiste à l'essor de la téléphonie mobile. Ce mode de communication nécessite l'utilisation de filtres radiofréquences (RF) capables de sélectionner le signal utile à la réception comme à l'émission. La miniaturisation des téléphones a nécessité le développement de nouveaux types de filtres fondés sur l'utilisation d'ondes acoustiques et notamment les ondes de surface (SAW). Pour répondre aux enjeux modernes des filtres RF pour la téléphonie cellulaire (montée en fréquence, augmentation des puissances d'émission, réduction des dimensions), nous avons envisagé un autre type de transducteur fondé sur l'utilisation de domaines ferroélectriques alternés. En effet, des matériaux ferroélectriques tels que le niobate de lithium (LiNbO3) présentent une polarisation spontanée pouvant être inversée. De cette manière, les peignes interdigités classiquement utilisés dans les composants à ondes de surface peuvent être remplacés par des structures périodiques à domaines inversés. Ce travail de thèse a consisté à valider le principe de fonctionnement de ce nouveau type de transducteur et à prouver qu'il était possible de fabriquer des filtres à l'aide de ces Transducteurs Polarisés Périodiquement (TPPs). Une étude théorique réalisée à l'aide d'un logiciel de simulation alliant calculs par éléments finis et éléments de frontière ainsi que la conception et la fabrication de ces dispositifs sont présentées. Ce type de structures à domaines inversés ayant prouvé son intérêt, d'autres objets exploitant ce principe ont été conçus et fabriqués (guides d'ondes acoustiques, dispositifs électro-optiques et dispositifs à onde isolée).

Le premier volet de ce document est dédié à l'obtention des grandeurs effectives d'un cristal photonique monodimensionnel. La méthode employée consiste à calquer les propriétés en dispersion et en réflexion d'un cristal sur celles d'un milieu homogène anisotrope. Cette nouvelle approche permet d'atteindre les permittivité et perméabilité effectives du cristal sous la forme d'un couple de tenseurs. Leur expression indique un critère nécessaire pour réaliser l'adaptation d'impédance entre un cristal et le milieu ambiant. Celui-ci est alors étendu puis appliqué aux cristaux bidimensionnels.<br />Le second volet est l'étude du guidage de modes quasi-TEM uniformes dans un guide métallique au moyen de parois structurées. Les structures sont des surfaces hard analysées grâce à la méthode modale tandis que les guides d'ondes associés le sont par une extension de la méthode des sources fictives. Cartes de champs et relations de dispersion révèlent le comportement des surfaces et guides envisagés.