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

In this thesis devices for controlling the flow of surface plasmon polaritons are described. Dielectric and metallic nanostructures were designed for this purpose, and characterized by leakage radiation microscopy in real and in reciprocal spaces. Manipulation of surface plasmons by dielectric lenses and gradient index elements is presented, and negative refraction, steering and self-collimation of surface plasmons in one- and two-dimensional plasmonic crystals is demonstrated. The achieved degree of control was applied for routing of nanoparticles by optical forces, as well as for two methods of enhancing the figures of merit of plasmonic refractive index sensors, based on the one hand on Fano resonances natural to leakage radiation microscopy, and on the other hand on anisotropie plasmonic bandstructures.

Cette thèse expérimentale s’est attachée à l’étude des effets induits par l’extension spatiale desplasmons de surface sur l’émission de matériaux organiques et inorganiques. Le système estformé d’un ensemble d’émetteurs localisés émettant principalement des plasmons de surfacedélocalisés. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’imagerie par microscopieplasmon, technique de plus en plus utilisée dans divers domaines, notamment la biologie. Nousavons montré que l’émission détectée en un point provient essentiellement de l’environnementet non du point observé, définissant ainsi un cercle d’influence lié à la longueur de propagationdu plasmon de surface. Quand le plasmon interagit plus fortement avec des émetteurs, ilpeut entrer en régime de couplage fort. Ce couplage fort se traduit par un changement dansles énergies du système et par l’apparition de nouveaux états hybrides excitons-plasmons, lespolaritons. Les différents émetteurs localisés (des chaines de colorants agrégés) ne sont alorsplus indépendants entre eux. Des mesures de diffusion montrent un effet collectif induit par lecouplage fort. Ces expériences ont été confirmées par des mesures de cohérence spatiale, réaliséesen ajoutant une expérience de fentes d’Young au dispositif de microscopie plasmon. Ilapparait qu’un état cohérent étendu sur plusieurs microns se forme, conformément aux prévisionsthéoriques. L’ensemble d’émetteurs se comporte alors comme une macromolécule, dontl’interaction est induite par le plasmon de surface. / This experimental thesis studies effects induced by the spatial extension of surface plasmonpolaritons on the emission properties of organic and inorganic materials. First, we focused onleakage radiation microscopy images, a technic which is now widely used in a lot of differentscientific fields, as biology for exemple. We showed that the detected emission at a given point ofthe fluorescence image of an assembly of emitters mostly comes from the environment and notfrom the observed point, defining an influence circle related to the surface plasmon propagationlength. When the surface plasmon strongly interact with emitters, the strong coupling leadsto energy modifications in the system and new hybride states excitons-plasmons appear calledpolaritons. All the different localized emitters (aggregated dye chains) are not independantanymore. Diffusion measurments showed a collective effect induced by the strong-coupling.Two Young’s slits experiment added on the optical system confirm that an extended coherentstate of several micrometers is created as predicted by theory. All emitters behave as only onemacromolecule where the interaction is mediated by the surface plasmon.

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 manuscrit s'inscrit dans le contexte du contrôle de la propagation des plasmons de surface. A cet effet, des nanostructures diélectriques et métalliques ont été conçues et caractérisées par microscopie à champ de fuite dans les espaces réels et réciproques. La manipulation des plasmons de surface à l'aide de lentilles diélectriques et d' éléments à gradient d'indice est présentée, et la réfraction négative, la direction et l'auto-collimation des plasmons de surface dans des cristaux plasmoniques à une ou deux dimensions sont démontrées. Ces résultats ont été utilisés pour le guidage de nanoparticules à l'aide de forces optiques, ainsi que pour deux méthodes permettant de renforcer le facteur de mérite de sondes plasmoniques de variation d'indice de réfraction, basées l' une sur les résonances de Fano naturelles de la microscopie à champ de fuite, et pour la seconde sur les structures des bandes plasmoniques anisotropes. / In this thesis devices for controlling the flow of surface plasmon polaritons are described. Dielectric and metallic nanostructures were designed for this purpose, and characterized by leakage radiation microscopy in real and in reciprocal spaces. Manipulation of surface plasmons by dielectric lenses and gradient index elements is presented, and negative refraction, steering and self-collimation of surface plasmons in one- and two-dimensional plasmonic crystals is demonstrated. The achieved degree of control was applied for routing of nanoparticles by optical forces, as well as for two methods of enhancing the figures of merit of plasmonic refractive index sensors, based on the one hand on Fano resonances natural to leakage radiation microscopy, and on the other hand on anisotropie plasmonic bandstructures.

Les nano-antennes optiques constituent un élément clé pour le contrôle et l’intéraction lumière/matière à l’échelle nanométrique. Ces systèmes opèrent dans le domaine de l’optique visible et proche infrarouge. Les propriétés de ces composants sont contrôlées en modifiant la taille, la forme et le matériau utilisé. Ces paramètres sont ajustés par les processus de fabrication de l’antenne. Dans le domaine des radio-fréquences, le tuner permet d’ajuster la fréquence de résonance de l’antenne de façon dynamique. Nous avons dans le cadre de cette thèse voulu adapter ce concept de tuner au domaine de l’optique. Le principe employé consiste à changer la résistance de charge de l’antenne, c’est-à-dire l’indice du milieu électrique environnant. Pour cela, nous avons utilisé un matériau anisotrope constitué de molécules de cristaux liquides. L’indice optique est alors modifié par l ’application d’un champ électrique statique. Le changement des propriétés spectrales ainsi que de diffusion d’une antenne de type dimère sont ici démontrées.Toujours en analogie avec les antennes radio-fréquences, nous avons étudié la propriété de transduction électron-photon dans le cas des antennes optiques. Dans ce but, nous avons considéré deux configurations. La première concerne l’utilisation de nanotubes de carbone placés dans une configuration de transistor à effet de champ. Ces objets émettent de la lumière par une recombinaison de paires électrons-trous dans le domaine des longueurs d’ondes Télécom. La seconde configuration emploie des jonctions tunnels fabriquées par électro-migration. Dans ce cas là, la jonction est assimilée à une antenne à interstice. A cause des faibles dimensions des jonctions (autour de 1 nm), nous nous sommes intéressés à la réponse en optique non linéaire de ses objets. Cette technique permet de localiser la jonction tunnel grâce à une forte exaltation du signal. L’etude des différentes caractérisques de ses jonctions sont ici présentées. Une fois la transduction du signal réalisée par l’antenne radiofréquence, celui-ci est acheminé via une ligne de transmission. A l’ échelle nanométrique, les guides plasmoniques s’avèrent être un type de structure approprié. Dans ce cas, les guides peuvent à la fois servir d’´electrode mais aussi de guide. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié par microscopie à fuites radiatives, dans l’espace direct et réciproque, la plus simple des géométries : le guide ruban métallique. Nous avons cherché à comprendre, pourquoi ce type de structure présente une largeur de coupure. / Optical nano-antennae are the new class of components to control light/matterinteraction at the nanoscale. These devices are operating in the visible to near infraredpart of the spectrum. The properties of these nano objects are controlled by theform, the size and the material.In the radio frequency domain, the tuner changes dynamically the operatingwavelength of the antenna. In this thesis work, we search to transfer this conceptto the nanoscale. The principle is to change the load impedance of the antenna, i.e.changing the optical index of the dielectric medium around the nano-object. Forthat we used anisotropic liquid cristal molecules. The value of the optical index iscontrolled by applying an external electrical static field. The effects on the spectraland scattering properties are demonstrated on a single dimer nano-antenna.However with the microwave antennae, we were interesting to the electronsphotonstransduction with an optical antenna. In this mind, we studied two differentsconfigurations. The first one concerns the use of carbon nanotubes placedin a field effect transistor configuration. These nano-objects emit light in the Telecomwavelength range by a radiative combination of electrons and holes. the secondconfiguration used planar tunnel junctions made by electromigration. In this case,the junctions are view as an optical gap antenna. Because the gap are very small(around 1 nm), we have studied the nonlinear optical response of these objects. Thisnonlinear optical characterization allows to determined the location of the tunneljunctions by an enhancement of the optical signal. The results about the properties(electrical and optical) of these tunnel junctions are presented.Once the transduction by the radio frequency antenna is achieved, this signalis transporting by a transmission line. By transposition at the nanoscale, the plasmonicswaveguides prove to be the most appropriate structure. In this case, theycould be used as an electrode or a waveguide. In this thesis work, we have studiedby leakage radiation microscopy, in the direct and reciprocal space, the simplestgeometry : plasmonic metal strips. We search to understand why these structureshave a cut-off width.