L’évolution actuelle de la société vers un monde de plus en plus numérique et connecté nécessite des liens de communication à la fois haut-débit et bas coûts. A cette fin, les guides d’ondes en plastique proposés ces dernières années visant les bandes de fréquences millimétriques (mm) offrent un compromis performance / coût très attractif.Profitant ainsi de larges bande-passantes de l’ordre de plusieurs gigahertz (GHz), des performances des technologies CMOS avancées aux fréquences mm mais également de tolérances d’assemblage relâchées, des systèmes de communication avec de tels guides d’ondes en plastique pourraient offrir des débits de plusieurs gigabits par seconde (Gb/s) sur des distances de plusieurs mètres de manière abordable.Dans ce travail, la conception d’un guide d’ondes en plastique est tout d’abord présentée en se basant à la fois sur des résultats théoriques et de simulation électromagnétique. Bien que les promesses de faible atténuation aient effectivement été confirmées, certaines limitations du confinement et de la robustesse aux contacts extérieurs sont également apparues. L’ajout d’une mousse protectrice est brièvement investiguée, mais une géométrie innovante de guide présentant des caractéristiques améliorées est principalement détaillée.Des thématiques « systèmes » sont ensuite explorées afin de construire un système de communication utilisant ce nouveau canal de propagation. Une architecture combinant la modulation de phase en quadrature (QPSK) et le multiplexage en fréquence est ainsi introduite. L’interface entre le circuit et le guide d’ondes a par ailleurs été identifiée comme une limitation potentielle à la bande-passante globale du système. Par conséquent, une transition très large-bande a été conçue et testée pour lever ce verrou. De même, en raison des inconvénients des techniques usuelles de démodulation de signaux mm QPSK, une topologie originale utilisant les non-linéarités des oscillateurs à injection a été développée.Enfin, la conception d’un émetteur mm en technologie silicium avancée (CMOS 28 nmFD-SOI) est décrite. Les contributions majeures incluent l’introduction de coupleurs hybrides intégrés à haute-performance ainsi que la réalisation d’un circuit de synchronisation. Celui-ci présente une large plage de capture et permet un fonctionnement à faible bruit de phase lorsque le système est verrouillé sur la cinquième harmonique du signal de référence. Des mesures sur signaux modulés ont également permis de mettre en évidence la capacité de l’émetteur à transmettre des débits très élevés de plusieurs Gb/s. / In a world willfully transitioning to the Digital Age, the thirst for connectivity demands high-speed communication links at low cost. In this context, affordable plastic waveguides have been proposed as a disruptive propagation channel in the millimeter-wave (mmW) range. Benefiting from multi gigahertz (GHz) bandwidths and mmW capabilities of advanced CMOS technologies as well as relaxed assembly tolerances requirements, cost-effective communication systems based on plastic waveguides could offer multi gigabits per second (Gb/s) data rates over several meters distances.In this work, the design of plastic waveguide channels is first discussed using both a theoretical approach and Electromagnetic (EM) simulations. Although low attenuation promises have been confirmed, some limitations are also highlighted, especially as regards confinement ability and robustness to external contacts. Solutions involving foam coating are briefly investigated and an innovative plastic waveguide design demonstrating improved characteristics is introduced.System-level topics are then explored in order to build a communication system using the previously presented channel. A new architecture, which combines Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) and frequency multiplexing, is found to be much more suitable. The transition from the circuit to the plastic waveguide has also been identified as a potential bandwidth bottleneck. Consequently, a wideband microstrip to WR-12 transition has been designed. Another limitation concerning the demodulation of QPSK mmW signals is investigated and an original topology using the non-linearities of Injection Locked Oscillators (ILO) has been developed.Finally, the design of a mmW transmitter in an advanced silicon technology node (CMOS 28 nm FD-SOI) is described. Major contributions include the introduction of high-performance integrated hybrid couplers and the realization of a wide locking range synchronization circuit enabling low phase-noise operation when locked on the fifth harmonic of a reference signal. Measurements on modulated signals have validated the transmitter high data-rate capability of several Gb/s.

La miniaturisation est l’objectif actuel de tous les fabricants de composants radio-fréquence depuis plusieursdécennies. Si les composants actifs pour la microélectronique sont fondés sur la structuration de plaquesde silicium, les composants passifs reposent sur l’utilisation de cristaux tels que le quartz ou le niobate delithium. Ce dernier est particulièrement utilisé quand il s’agit de générer et exploiter des ondes élastiques, ainsique pour le guidage de faisceaux lumineux afin de réaliser des filtres ou des capteurs sensibles à différentsparamètres environnementaux. L’amélioration du guidage de ces ondes permet un gain en consommation et encompacité des dispositifs mais nécessite une structuration de la matière souvent tridimensionnelle. Cette étapetechnologique clé est industriellement mature pour la mise en forme du silicium, mais s’avère di_cilementtransposable à des matériaux tels que le quartz ou le niobate de lithium. Les travaux présentés dans cemanuscrit visent à réaliser des structures tridimensionnelles à hauts facteurs de forme dans des matériauxmonocristallins à l’aide d’une scie circulaire de précision. Des structures utilisant l’inversion périodique dedomaine ferroélectrique seront réalisées afin de les utiliser pour y guider des ondes élastiques possédant descouplages électromécaniques particulièrement élevées. Le guidage d’ondes optiques par le biais de ces mêmesstructures permet une amélioration du confinement par rapport aux systèmes de guidage massifs classiquescouramment utilisés pour la réalisation de filtre ou de modulateur électro-optiques. En utilisant conjointementle guidage d’ondes optiques et les domaines ferroélectriques alternés, les structures ainsi découpées permettentl’apparition de phénomènes optiques non-linéaires exaltés par l’amélioration du confinement. Ces structuresont ainsi montré leur intérêt dans plusieurs domaines de la physique avec un champ applicatif particulièrementvaste / Over the past decades, minutiarization and compacity have become a focus subject for companies specialisedin the manufacturing of radio-frequency components. Active components are typically manuafctured onsilicon wafers with well-known structuring methods. Passive ones are often manufactured on single cristalsuch as Quartz or Lithium Niobate, especially for acoustic wave generation or lightwave guiding. Theguiding of optical or acoustical waves leads to the manufacturing of sensors or filters which can be usedfor telecommunications or for the industry. Improvement in waveguiding allows for less power-consuming andmore compact devices but a 3D-structuring is usually required. This technology readness is high leveled forsilicon structuring but not for single crystals such as Lithium Niobate. This work presents the development andthe manufacturing of high aspect ratio three-dimensionnal structures in single-crystals using precise sawing.These structures show an optical waveguiding capability which allow the improvements of electro-opticmodulators or filters. Combined with a periodic reversing of Lithium Niobate polarization, these structuresallows for bulk acoustic wave generation leading to high electromechanical coupling and equivalent phasevelocity resonant modes. In non-linear optic field, this kind of structures lead to the improvement of secondharmonic generation e_ciency by reducing the cross section of waveguide. The manufactured devices in theframework of this project can actuelly be used in several domains of physic.

Les guides d’ondes plasmoniques à rubans dielectriques (DLSPPW) sont récemment apparus comme une des solutions possible pour le transport de signaux optiques et électriques sur puce. Néanmoins, dans le contexte particulier des interconnections optiques, des fonctionalitées avancées telles que filtrage, commutation, et routage sont nécessaires afin de remplacer dans le futur les composants electroniques équivalents trop gourmands en énergie et aussi réduire leur empreinte. Après une présentation des intérêts et limitations de la technique de micro- scopie à fuite radiative, nous montrons plusieurs composants actifs utilisant pour diélectrique des polymères thermo-sensibles controlés électriquement par eet Joule. Par la suite nous démontrons la faisabilité de systèmes tout optique que ce soit par dopage du polymère par des nanoparticules metalliques ou par eet thermo-plasmonique d’un second mode plasmon permettant un échauement localisé de forme choisie. L’activation dynamique de nos composants thermo-optiques est réalisée grâce à un montage fibre-à-fibre créé spécialement nous permettant d’investiguer le temps de réponse d’un chauage plasmonique ainsi que la transmission de signal télécom. Des améliorations de performances du concept DLSPPW original sont proposées par l’ajout d’un mur métallique sur le côté du ruban de polymère. Ce système peut alors fonctionner comme un convertisseur de polarisation compacte et athermique / The Dielectric Loaded Surface Plasmon Polariton Waveguides (DLSPPWs) have recently emerged as a possible solution to carry both optical and electrical signals on- chip. However, in the particular context of optical interconnects, advanced functionalities such as filtering, switching, and routing are required in order to replace in the future the equivalent electronic components which are too much power consumer and also to reduce their footprints. After presenting the interest and limitation of the leakage radiation microscopy method used all along this work, we show several active devices using thermo-sensitive polymers as the dielectric load driven electrically by Joule heating. Then we demonstrate the feasibility of all-optical systems by either doping the dielectric with metallic nanoparticles or by plasmo-thermal eect of a second plasmonic mode providing a localized heating of controlled shape. The dynamic activation of our thermo- optical devices is performed using a homemade fiber-to-fiber setup which allows us to investigate the response time of a plasmo-thermal heating as well as true datacom transmission. Some improvements of the original DLSPPWs performances are proposed by adding a metallic wall on one side of the polymer ridge. This system can act as a compact and athermal polarization converter

Ce travail est consacré à l’étude de la génération de deuxième harmonique (SHG) dans des guides d’ondes de Nitrure d’éléments III. Un des buts principaux de ce travail, était d’identifier les origines des pertes à la propagation dans les guides d’ondes GaN et de fortement les réduire dans des guides présentant des possibilités d’accord de phase, pour améliorer l’efficacité de la SHG. Nous avons fait un progrès très important dans cette direction et avons fabriqué des guides d’ondes plans de GaN épitaxiés sur des substrats de saphir avec des pertes à la propagation inférieure à 1dB/cm dans le visible. Dans ces guides d’ondes à faibles pertes, il a été possible d’obtenir un processus de SHG efficace en utilisant l’accord de phase modal. Nous avons obtenu 2% de conversion entre une pompe dans le proche infrarouge et un harmonique dans le visible, ce qui correspond à une efficacité de conversion normalisée de 0,15%W-1cm-2. Les pertes à la propagation et l’efficacité de conversion obtenues sont les meilleurs résultats rapportés jusqu'ici pour des guides d’ondes plan en GaN. De plus, nous avons étudié des guides d’ondes de Nitrure d’éléments III épitaxiés sur des substrats de Si, dont la fabrication demande de relever plusieurs défis, mais qui ouvrent des possibilités intéressantes. La première est la possibilité de graver sélectivement les nitrures ou le Si, ce que nous avons utilisé pour développer une plate-forme permettant la fabrication d’objets suspendus comme des micro-disques, des guides d’ondes et des micro-disques couplés à un guide d’ondes. Cette plate-forme a permis la première démonstration de SHG doublement résonante en utilisant un accord de phase modal entre des modes de galerie du micro-disque. Bien que toutes les expériences que nous avons exécutées aient été faites dans une région spectrale limitée, l’étude numérique présentée dans ce manuscrit démontre la grande adaptabilité de cette plate-forme basée sur la possibilité de faire varier la composition des guides d’ondes AlGaN de GaN pur à AlN pur. La deuxième possibilité liée à l’épitaxie de nitrures d’éléments III sur Si, est qu'en la combinant avec des techniques de report, on peut jouer avec des guides nitrures d’éléments III sur SiO2. Nos résultats numériques révèlent le potentiel complet des guides d’ondes d’AlGaN en démontrant qu’en utilisant différentes combinaisons de mode et en jouant sur la composition et la géométrie des guides d’ondes, il est possible d’obtenir un signal de deuxième harmonique dans l’ultra-violet, le visible ou le proche-infrarouges. Ces résultats montrent aussi, que pour améliorer encore l’efficacité de la SHG, on doit fabriquer des guides d’ondes canaux présentant un isolement optique parfait du substrat de Si et une inversion de polarité précisément placée dans le cœur du guide d’ondes. Dans une telle structure on pourrait profiter simultanément du confinement de la puissance, de l’accord de phase modal et d’un recouvrement optimisé des modes en interaction. Dans ce cas, nos calculs montrent que l’efficacité de conversion pourrait atteindre 100%W-1cm-2. Au cours de ce travail nous avons pu tester des guides canaux et des guides présentant une inversion de polarité dans le cœur. La qualité des flancs des guides canaux s’est avérée être tout à fait encourageante, mais leur performance non linéaire sont restées très limitées, principalement à cause de fortes pertes à la propagation dues au couplage avec le substrat absorbant et à la forte rugosité de surface des couches inversées. Les structures utilisant les techniques de report, n'ont pu être testées car elles ont cassé en cour de fabrication. L'obtention de guides optimisés exige de progresser encore pour réaliser des couches de confinement optique plus épaisses et/ou d’adapter la technique de report à ces matériaux. / This work is dedicated to the study of the second harmonic generation (SHG) in III-Nitride waveguides. One of the main goals of this work, was to identify the origins of the propagation losses in GaN waveguides, and to strongly reduce them in waveguides presenting some phase matching possibilities, in order to improve the SHG efficiency. We have made a very important progress in this direction, and fabricated by hetero-epitaxy GaN planar waveguides on sapphire substrates with propagation losses below 1dB/cm in the visible spectral region. These low-loss waveguides were used for the demonstration of an efficient second harmonic generation process using modal phase matching. We obtained 2% of power conversion from the near-infrared to the visible spectral regions with a normalized efficiency of 0.15%W-1cm-2. The obtained propagation losses and conversion efficiency are the best-reported results so far for GaN planar waveguides. In addition, we have studied epitaxial III-nitride waveguides on Si substrates, which are very challenging to fabricate, but opens new interesting opportunities. The first one is the possibility to etch selectively the nitrides or the Si. The selective chemical etching was used to develop a platform allowing the fabrication of suspended objects such as micro-disks, waveguides and micro-disks coupled to a waveguide. This platform has allowed the first demonstration of doubly resonant SHG using phase matching between the whispering gallery modes of a micro-disk. Although all the experiments we performed were done in a limited spectral region, the numerical study presented in this manuscript demonstrates the large adaptability of this platform based on the possibility of varying the composition of AlGaN waveguides from pure GaN to pure AlN. The second opportunity of epitaxial III-nitrides layers on Si is the possibility to combine them with report technologies to obtain III-nitride waveguides on SiO2. Our numerical results reveal the full potential of AlGaN waveguides by demonstrating that using different mode combinations and playing with waveguides composition and geometry, it is possible to obtain a second harmonic signal in the ultraviolet, the visible or the near-infrared spectral regions. These results also demonstrate, that to further improve the SHG efficiency, one has to fabricate ridge waveguides presenting a perfect optical isolation from the Si substrate and a polarity inversion precisely positioned in the core of the waveguide. In these structures one could benefit simultaneously from the power confinement, the modal phase matching and an optimized overlap of the interacting modes. In this case, we calculate that the conversion efficiencies could be as high as 100%W-1cm-2. Both ridge waveguides and polarity inversion were tested in this work. The quality of the ridges was quite encouraging, but their nonlinear performance remained limited mainly because of the high propagation losses due to the coupling with the absorbing substrate and to the roughness of the surface of the epitaxial inverted layers. The structures fabricated using the report technique, haven’t been tested, as they were broken during their fabrication. Getting fully optimized waveguides requires further progresses in realizing thicker optical buffer layers and/or adapting the report technique to these materials.

Les plasmons-polaritons de surface (PPS) font figure de plateforme polyvalente très promet- teuse pour le guidage des ondes électromagnétiques à l’échelle nanométrique. Dans ce contexte, le contrôle dynamique de la propagation PPS est d’une importance capitale. Le contrôle actif des dispositifs plasmoniques a souvent été réalisé jusqu’à présent par le biais d’un effet thermo-optique (TO). Toutefois dans la majorité des cas considérés, l’effet thermo-optique résulte d’une modification des propriétés d’un matériaux diélectrique en contact avec le métal supportant le mode plasmon. Ainsi, le rôle des propriétés thermo-optiques du métal lui-même a rarement été analysé aux fréquences télécom dans le cadre d’applications plasmoniques. L’objectif principal de cette thèse est donc d’analyser en détail l’impact des propriétés thermo- optiques des métaux sur différents modes PPS aux longueurs d’ondes télécom. En premier lieu, nous considérons la modulation photo-thermique d’un mode plasmon supporté par un film mince d’or se propageant à l’interface "or/air". Nous démontrons tout d’abord la modulation de la propagation des modes PPS induite par la dépendance des pertes ohmiques de l’or à la température du film mince. Le contrôle de la température du film est obtenu par un effet photo-thermique en régime continu modulé. Les mesures expérimentales de la pro- fondeur de modulation de l’intensité des modes PPS combinées à la simulation numérique de la distribution de température le long du film d’or nous permettent de remonter aux coefficients thermo-optiques de l’or aux fréquences télécoms. Dans un second temps, nous considérons le contrôle thermo-optique de modes plasmons dont le confinement spatial (et donc l’indice effectif) est supérieur à ceux des modes de films. Les modes considérés dans cette seconde étude sont connus sous le nom de "polymer- loaded surface plasmon waveguides (PLSPPWs)". Ces modes présentent un confinement latéral induit par l’indice de réfraction du ruban de polymère déposés sur le film métallique et un confinement vertical résultant de leur nature plasmonique. L’excitation photo-thermique de ces guides plasmoniques dans un régime nano-seconde nous permet de mettre en évidence la dynamique thermo-optique du métal aux temps courts (<1ns) et du polymère aux temps plus longs (<1µs). La même démarche appliquée à un micro-résonateur plasmonique en anneau révèle les temps caractéristiques de la dynamique de diffusion de la chaleur dans le polymère à l’échelle de quelques dizaines de nanomètres. Sur la base de ces expériences, nous suggérons un design de dispositifs plasmoniques thermo-optique dont la bande passante est de l’ordre du megahertz, un ordre de grandeur au-dessus des systèmes thermo-optiques traditionnels. Enfin, nous présentons la modulation photo-thermique de la propagation PPS le long de nanofils d’or fabriqués par lithographie électronique supportant des modes plasmons très confinés aux longueurs d’onde télécom. La transmission d’un signal télécom à 10 Gbit/s est tout d’abord démontrée afin d’établir sans ambiguïté la pertinence de tels guides d’ondes miniatures pour la transmission d’informations à très courtes échelles. Enfin, nous mettons en évidence la modulation photo-thermique de la propagation de tels modes. En particulier, nous investiguons l’influence sur la profondeur de modulation de la polarisation du faisceau pompe relativement à l’orientation des nanofils. Cet effet de polarisation s’explique par une absorption exaltée si la polarisation du faisceau pompe est orientée perpendiculairement à l’axe du nanofil. L’exaltation résulte de l’excitation d’un mode plasmon local selon l’axe transverse du nanofil. / Surface plasmon polaritons (SPPs) is the promising versatile platform proposed for guiding electromagnetic waves at nanoscale dimensions. In this context dynamic control of SPPs prop- agation is of paramount importance. Thermo-optical (TO) effect is considered as an efficient technique for performing active control of plasmonic devices. Among the thermo-optical based plasmonic devices demonstrated so far TO coefficient is dominantly provided by a dielectric material on top of the metal sustaining the SPP mode, however, the role of TO properties of the metal has been rarely investigated for plasmonic applications especially at the telecom frequency ranges. Therefore, the aim of this thesis is to investigate in detail the impact of thermo-optical properties of metals onto various SPP modes at telecom wavelengths.First, we report on photo-thermal modulation of thin film SPP mode traveling at gold/air interface excited at telecom wavelengths. We start by investigating the photo-thermally in- duced modulation of SPPs propagation mediated by the temperature dependent ohmic losses in the gold film. Then we extract the thermo-plasmonic coefficient of the SPP mode from the accurately measured SPPs signal depth of modulation by which we could compute the thermo-optical coefficients (TOCs) of gold at telecom wavelength. Lastly, we demonstrate a pulsed photo-thermal excitation of the SPPs in the nanosecond regime.Secondly, we investigate the thermo-optical dynamics of polymer loaded surface plasmon waveguide (PLSPPW) based devices photo-thermally excited in the nanosecond regime. First, we demonstrate thermo-absorption of PLSPPW modes mediated by the temperature-dependent ohmic losses of the metal and the thermally controlled field distribution of the plasmon mode within the metal. Next, we consider the thermo-optical response of a PLSPPW based racetrack shaped resonator coupled to a straight bus waveguide and evaluate the photo-thermal activation through heating and cooling times. We conclude that nanosecond excitation combined to high thermal diffusivity materials opens the way to high speed thermo-optical plasmonic devices.Finally, we report on the photo-thermal modulation of SPPs propagation along litho- graphically fabricated gold nanowires sustaining highly confined plasmonic mode at telecom wavelengths. First, we investigate telecommunication characterization of the nanowires by ap- plying high bit rate signal transmission, 10 Gbit/s, through fiber-to-fiber confocal detection setup. Next, we demonstrate and evaluate the photo-thermal modulation of SPPs propagation along the nanowires where we discuss qualitatively TO effects due to light-induced modula- tions on nanowires and show the impact of the incident beam polarization on the photo-thermal modulation.