Le moyen infrarouge (MIR), c'est-à-dire la gamme 2-5 µm du spectre électromagnétique, présente à la fois des zones de transparence de l'atmosphère et des raies d'absorption très intenses des gaz polluants. Le MIR est donc idéal pour développer des applications telles que l'analyse des gaz polluants, les applications médicales ou de sécurité défense. Le but de la thèse est de développer une méthode de confinement latéral, et un miroir à base d'un réseau de diffraction sub-longueur d'onde à fort contraste d'indice, afin de les intégrer dans un laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) à base d'antimoniure, pour une émission dans le MIR. Le travail se décompose en trois parties : La première partie concerne l'oxydation thermique humide latérale des couches d'AlAs et d'AlAsSb. La deuxième partie concerne les miroirs à réseau sub-longueur d'onde, conçus et réalisés à base de réseaux gravés dans une couche de GaAs, et intégrant une sous couche bas indice d'AlOx, obtenue à partir d'AlAs. La dernière partie synthétise ces deux précédentes études afin de les intégrer dans un VCSEL émettant aux alentours de 2.3µm.

De nouveaux concepts d'imagerie permettent aux systèmes optiques d'être plus compacts et plus performants. Parmi ces nouvelles techniques, les systèmes d'imagerie hybrides par codage de pupille allient un système optique comprenant un masque de phase et un traitement numérique. La fonction de phase implantée sur le masque rend l'image insensible à un défaut du système optique, qui peut être une aberration ou de la défocalisation. Cet avantage est obtenu au prix d'une déformation connue de l'image qui est ensuite corrigée par un traitement numérique.L'étude des propriétés de ces systèmes a été effectuée en cherchant à augmenter la profondeur de champ d'un système d'imagerie. Un gain sur ce paramètre permet déjà d'envisager le relâchement de contraintes de conception optique telles que la courbure de champ, la défocalisation thermique, le chromatisme... Dans ces techniques d'imagerie, la prise en compte du bruit du capteur constitue l'un des paramètres critiques pour le choix et l'utilisation de méthodes de traitement d'image.Les travaux menés durant cette thèse ont permis de proposer une approche originale de conception conjointe de la fonction de phase du masque et de l'algorithme de restauration d'image. Celle-ci est basée sur un critère de rapport signal à bruit de l'image finale. Contrairement aux approches connues, ce critère montre qu'il n'est pas nécessaire d'obtenir une stricte invariance de la fonction de transfert du système optique. Les paramètres des fonctions de phase optimisés grâce à ce critère sont sensiblement différents de ceux usuellement proposés et conduisent à une amélioration significative de la qualité de l'image.Cette approche de conception optique a été validée expérimentalement sur une caméra thermique non refroidie. Un masque de phase binaire qui a été mis en œuvre en association avec un traitement numérique temps réel implémenté sur une carte GPU a permis d'augmenter la profondeur de champ de cette caméra d'un facteur 3. Compte-tenu du niveau de bruit important introduit par l'utilisation d'un capteur bolométrique, la bonne qualité des images obtenues après traitement démontre l'intérêt de l'approche de conception conjointe appliquée à l'imagerie hybride par codage de pupille.

Ce manuscrit traite du rayonnement thermique à l’échelle nanométrique et du contrôle de l’échange d’énergie radiative entre deux corps, afin d’augmenter les performances de conversion énergétique des systèmes thermophotovoltaïques (TPV). Les bases du rayonnement thermique et de la conversion photovoltaïque sont tout d’abord rappelées. Les flux rayonnés par des émetteurs multicouches supportant des phénomènes d’interférence sont ensuite calculés numériquement. Ces phénomènes permettent de contrôler le spectre d’émission et donc l’optimisation d’un émetteur sélectif pour des applications TPV. Il s’avère important de prendre en compte l’évolution en température des propriétés optiques des matériaux constituant l’émetteur. Il est démontré que le contrôle des phénomènes d’interférences au sein des structures multicouches sur substrat métallique permet d’obtenir des émissivités spectrale et totale hémisphérique 20 fois supérieures à celles du substrat seul. Le chapitre suivant est dédié au rayonnement thermique en champ proche entre un émetteur semi-infini et une couche mince. Cette configuration est proche d’un système TPV, où l’émetteur semi-infini peut être assimilé au corps rayonnant, et le film à une cellule PV. Différent phénomènes sont analysés : le comportement des résonances de polaritons de surface, l’absorption spatiale de la puissance radiative en champ proche et les phénomènes d’interférences dans le régime de transition champ proche-champ lointain. Ces phénomènes peuvent être mis à profit pour la conception de spectres optimisés. Dans le dernier chapitre, les performances de systèmes TPV en champ proche (TPV-CP) sont simulées numériquement à l’aide d’un code couplé transport des charges-rayonnement. Les modèles basés sur l’hypothèse de faible injection utilisés généralement pour simplifier le problème du transport des charges électriques dans la cellule PV sont évalués en détails. Différentes architectures de cellules permettant d’optimiser les performances du système sont présentées en conclusion. Ces travaux offrent un nouvel éclairage sur le rayonnement des structures multicouches et leur application à la conversion thermophotovoltaïque. / This thesis deals with thermal radiation at nanoscale in order to increase the energy conversion performances of thermophotovoltaic systems (TPV) The basics of thermal radiation and of photovoltaic energy conversion are recalled first. The flux radiated by few-layers emitters supporting interference phenomena are then calculated numerically. These phenomena allows controlling the emission spectrum, and thus the optimization of a selective emitter for TPV application. The next chapter is dedicated to near-field thermal radiation between a semi-infinite emitter and a flat film. This configuration is close to a TPV system, where the semi-infinite emitter can be related to the radiating body, and the film to the photovoltaic device. Different phenomena are analyzed: the behavior of the surface polariton resonances, the spatiale absorption of the radiative power and the interference phenomena in the near-to-far field transition regime. These phenomena can be used to design optimal spectra. In the last chapter, the performances of TPV system under near-field regime (NFR-TPV) are numerically simulated with a coupled charge transport/thermal radiation code. The models based on the low-injection approximation commonly used to simplify the charge transport problem inside the PV device are evaluated in details. Several cell architectures optimizing the performances of the system are then presented. All these results shed new light on thermal radiation of multilayers and their application to thermophotovoltaic conversion.

Ce travail de thèse se décompose en deux parties. Tout d'abord, nous présentons une nouvelle technique de focalisation d'ondes avec un seul émetteur en cavité réverbérante (FIM) en profitant d'un algorithme inspiré du filtre inverse. Via l'étude expérimentale de cavités réverbérantes dans le domaine des ultrasons, nous démontrons la capacité du FIM à optimiser la focalisation quelle que soit le type de cavité (de type ergodique ou non). Dans une deuxième partie, la propagation d'ondes élastiques dans un système formé par un ensemble de tiges d'aluminium collées sur une plaque mince de même nature, est étudiée. Ces tiges (résonateurs quasi-ponctuels) sont arrangées de façon périodique ou aléatoire sur une échelle sub-longueur d'onde. Le métamatériau ainsi constitué révèle la présence de larges bandes de fréquences interdites. De plus, la coexistence de résonances de flexion et de compression dans les résonateurs, ajoutée à la présence d'une conversion d'une partie de l'énergie du mode A0 vers le mode S0 dans la plaque, crée une grande complexité du champ d'onde. C'est ce qui fait de ce type de métamatériau, des objets tout à fait singuliers à l'échelle mésoscopique. / This thesis is divided into two parts. First, we present a new technique for focusing waves with one emitter in reverberant cavity (OCIF) inspired by inverse filter algorithm. Through the experimental study of reverberant cavities in the field of ultrasound, we demonstrate the ability of the OCIF to optimize the focusing no matter what type of cavity (ergodic type or not). In a second part, we investigate the propagation of elastic waves in a system formed by a set of aluminum rods glued to a thin plate of the same material. These rods form a set of quasi-punctual resonators in the propagation plane of waves. It is possible to arrange them periodically or randomly on a subwavelength scale. The metamaterial thus formed shows a complex wave field within it, including the presence of wide prohibited frequency ranges (bandgaps). The experimental and numerical approaches described in this manuscript show the existence of both flexural and compressional resonances in the resonators. Added to the presence of a conversion of a portion of the energy from the $A0$ Lamb mode to the $S0$ one in the plate, such a complexity makes this type of metamaterials, quite unusual objects at the mesoscopic scale.

Les lasers à cascade quantiques (LCQ) sont des sources puissantes de rayonnement térahertz (THz) et moyen infrarouge (MIR). Elles reposent sur une transition intersousbande dans la bande de conduction des nanostructures semiconductrices constituant le LCQ. Ce travail de thèse présente une étude fondamentale de l'optique non-linéaire résonante dans les LCQ. La génération de mélange de fréquences entre un LCQ THz ou MIR et un faisceau proche infrarouge (NIR) est démontrée dans la cavité même du LCQ. Les non-linéarités des puits quantiques constituant la zone active du LCQ sont exaltées grâce à une excitation NIR résonante avec les transitions interbandes et grâce au photon du LCQ résonant avec les transitions intersousbandes de la structure. Ces excitations résonantes entrainent une forte exaltation de la susceptibilité non-linéaire, permettant une interaction efficace sans considération pour l'accord de phase. De précédentes études limitées aux températures cryogéniques, ont mis en évidence le mélange d'ondes résonant entre un LCQ THz basé sur GaAs et un faisceau NIR à 800 nm. Le travail novateur de cette thèse montre que le mélange d'ondes résonant dans les LCQ peut être étendu à la gamme des LCQ MIR et à des excitations de pompe dans le domaine télécom, à température ambiante. De plus, les limites liées à l'absorption sous excitation résonante ont été en partie dépassées, grâce à une géométrie en réflexion. Ce travail a permis une compréhension approfondie des non-linéarités interbandes et intersousbandes résonantes dans les LCQ, ouvrant la voie vers des applications potentielles telles que le décalage de longueurs d'ondes tout-optique pour les télécommunications. / Quantum cascade lasers (QCLs) are powerful terahertz (THz) and mid-infrared (MIR) sources. Their emission relies on intersubband transitions i.e. transitions between confined electronic states in the conduction band of these semiconductor nanostructure-based lasers.This PhD thesis presents a fundamental study of resonant nonlinear optics in QCLs. Nonlinear frequency mixing between a THz or MIR QCL photon and a near infrared (NIR) pump has been shown within the QCL cavity. Nonlinearities from the QCL active region, composed of a set of quantum wells, can be enhanced owing to a NIR excitation that is resonance with interband transitions, and with the QCL photon in resonance with intersubband transitions. These resonant excitations permit a strong exaltation of the nonlinear susceptibility, allowing an efficient interaction without considerations of phase matching. Previous studies, limited to cryogenic temperatures, have shown nonlinear frequency mixing between a GaAs based THz QCL and an 800 nm NIR beam.This thesis presents an original work highlighting that resonant nonlinear optics in QCLs can be extended to the MIR, and to telecom range pump excitations, at room temperature. Furthermore, previously limits related to absorption at resonant excitations have also been partially overcome, by proposing a geometry in reflection.As well as proving an in-depth understanding of interband and intersubband nonlinearities in QCLs, this work paves the way to potential applications such as all optical wavelength shifting for telecommunications, and the up-conversion of THz and MIR photons into thetechnologically mature NIR range.

Résumé de l'étude in vitro. L'objectif de cette étude in vitro était de créer un fantôme avec la même architecture musculaire (fibre, aponévrose ...) et les mêmes propriétés mécaniques que le muscle en condition passive et active. Deux fantômes homogènes ont été fabriqués avec différentes concentrations de plastisol pour simuler les propriétés élastiques du muscle en condition passive (50% plastisol) et active (70% de plastisol). Pour cela, des fils en Téflon (d = 0,9 mm) ont été insérés dans la partie supérieure du fantôme (50%) pour représenter les fibres musculaires. De plus, une feuille en matière plastique (8 x 15 cm) a également été placée au milieu du fantôme pour imiter la structure de l'aponévrose. Ensuite, des tests ERM ont été effectués à 90 Hz avec deux stimulateurs pneumatiques de différentes formes (tube en silicone, membrane circulaire) pour analyser l'effet du type du stimulateur sur la propagation des ondes. La longueur d'onde a été mesurée à partir des images phase et les propriétés élastiques (module de cisaillement) ont été calculées. Les deux fantômes (50% et 70%) ont montré des propriétés élastiques similaires à celles du muscle à l’état passif (2,40 ± 0,18 kPa) et actif (6,24 ± 0,21 kPa). Le stimulateur en forme de tube a donné des valeurs plus élevées (environ 1,2 kPa à 1,53 kPa). L'analyse du comportement des ondes a révélé un glissement le long de la feuille plastique. Ce phénomène a aussi été observé in vivo le long de l’aponévrose. L'onde a également été sensible à la présence des fils en téflon car des coupures, des trous, ont été identifiés au cours de la propagation de l’onde. Une nouvelle méthode de post-traitement a été créée pour mesurer les paramètres G' et G" à partir de tests ERM réalisés à plusieurs fréquences (60, 80, 100 Hz) et en utilisant des modèles rhéologiques. Cette méthode a été testée sur un fantôme (50%) qui n’avait pas d’inclusion. Les résultats des mesures viscoélastiques (G', G") ont été validés avec la technique HFVS (Hyper-Fréquence viscoélastique Spectroscopy). Des valeurs similaires, G' et G’’, ont été obtenues avec les deux techniques. Ce dernier résultat valide la nouvelle méthode de post-traitement pour mesurer les propriétés viscoélastiques. Résumé de l'étude in vivo. L'objectif de cette étude in vivo a été de développer des protocoles ERM pour caractériser les propriétés élastiques (module de cisaillement) des neuf muscles de la cuisse. Ces tests ont été effectués à une seule fréquence (90 Hz). Différents modules de cisaillement ont été trouvés entre les muscles. Le gracilis a révélé des propriétés élastiques plus élevées que les autres muscles. Ces différentes élasticités peuvent être dues à différentes compositions physiologiques et architecturales entre les tissus. Ensuite, les propriétés viscoélastiques des muscles ischio (ST, SM, et la BC) et du muscle Gr ont été déterminées en appliquant la nouvelle méthode de post-traitement des données (précédemment validée sur le fantôme 50%) avec des tests ERM multi fréquences (70, 90 et 120 Hz) et en utilisant des modèles rhéologiques. Les résultats ont montré que deux modèles rhéologiques, Zener et springpot, peuvent être utilisés pour mesurer les propriétés viscoélastiques des muscles à l’état passif. De plus, des résultats similaires ont été trouvés entre G "/ G ', obtenus expérimentalement à 90 Hz, et la valeur α du modèle de springpot. / Summary of the vitro studies. The objective of this in vitro study was to create a phantom witch the same muscle architecture (fiber, aponeurosis …) and mechanical properties of muscle in passive and active states. Two homogeneous phantoms were manufactured with different concentrations of plastisol to simulate the muscle elastic properties in passive (50% of plastisol) and active (70% of plastisol) muscle conditions. Moreover, teflon tubing pipes (D = 0.9 mm) were thread in the upper part of the phantom (50%) to represent the muscle fibers and a plastic sheet (8 x 15 cm) was also included in the middle of the phantom to mimic the aponeurosis structure. Subsequently, MRE tests were performed at 90Hz with two different pneumatic drivers, tube and round shapes, to analyze the effect of the type of driver on the wave propagation. The wavelength was measured from the phase images and the elastic properties (shear modulus) were calculated. Both phantoms revealed elastic properties which were in the same range as in vivo muscle in passive (2.40 ± 0.18 kPa) and active (6.24 ± 0.21 kPa) states. The impact of the type of driver showed higher values with the tube (range: 1.2 kPa to 1.53 kPa). The analysis of the wave behavior revealed a sliding along the plastic sheet as it was observed for in vivo muscle study. The wave was also sensitive to the presence of the fibers where gaps were identified. A new post processing method was established to measure G’ and G” from experimental multi frequencies (60, 80, 100 Hz) MRE (MMRE) tests and rheological models. This method was tested on the phantom (50%) made without fiber. Cross validation of the viscoelastic (G’, G”) results was made with Hyper-Frequency Viscoelastic Spectroscopy (HFVS). Both techniques showed similar range of values for G’ and G” at the same frequencies. This last result validated our new data processing for the viscoelastic measurement. Summary of the in vivo studies. The objective of this in vivo study was to develop MRE protocols to characterize the elastic properties (shear modulus) of the nine thigh muscles. These tests were performed at a single frequency (90Hz). Different shear moduli were found between the muscles. The gracilis revealed the highest elastic properties compared to all the other muscles. These different elasticities may be due to different physiological and architectural compositions between the tissues. Then the viscoelastic properties of the ischio (ST, SM, and BC) and Gr muscles were determined based on our new data-processing method (validated on the phantom 50%) using MMRE tests (70, 90 and 120Hz) and rheological models. The results revealed that two rheological models, zener and springpot, can be used to measure the viscoelastic properties in passive state. A similar trend was found between the experimental ratios G”/G’ obtained at 90 Hz and the α value of the springpot model. The present MRE muscle protocol, and the viscoelastic data base, could be used as non-invasive diagnostic tools to evaluate tissue alterations, the progression of diseases, and the effect of treatments, such as the ongoing therapeutic trials for Duchenne muscular dystrophy.

La mesure des polluants fait l'objet depuis la fin du XXème siècle d'une attention toute particulière pour la préservation de la planète. Les espèces gazeuses, plus précisément le méthane, présent dans le MIR, possède des forces de raies très intenses, ce qui rend la technique plus sensible. La technique de détection de gaz utilisée durant ma thèse est choisie après une large comparaison entre différentes techniques appartenant à la SDLA. Cette technique est la technique QEPAS. Elle a montré depuis son invention en 2002, une grande sensibilité et sélectivité dans le domaine d'analyse de gaz. La source de lumière utilisée dans la QEPAS est une diode laser accordable (laser à SC), ce qui permet de rendre la technique plus sélective, en variant sa longueur d'onde d'émission en fonction du courant injecté et/ou température de régulation, pour se localiser sur une raie souhaitée à détecter. Le détecteur de la QEPAS est le diapason à quartz (QTF). Ce dernier est très sensible à la force minime appliquée par l'onde acoustique, ce qui rend la technique très sensible aux faibles concentrations. Plusieurs étapes de caractérisations sont exigées pour déterminer les caractéristiques de la diode laser et du QTF. Après le choix de la diode laser et du QTF, idéaux pour la spectroscopie, on passe à l'évaluation de la technique QEPAS dans le domaine d'analyse de gaz. Les limites de détection du méthane obtenues avec la technique QEPAS sont 0.8 ppmv et 400 ppbv à 2.3 µm avec un laser à Fabry-Pérot et un laser à cristaux photoniques, respectivement, et 100 ppbv à 3.3 µm avec un laser DFB.Ce travail a permis d'obtenir une technique performante (sensible, sélective, pas cher…), dans le domaine d'analyse de gaz. / The measurement of the pollutants is the subject since the late twentieth century especially in attention to protecting the planet. The gaseous species, specifically methane, present in the MIR, has strengths rays very intense, making the technique more sensitive.The detection technique of gas used during my PhD was chosen after an extensive comparison of different techniques belonging to the SDLA. This technique is the QEPAS technique. It has shown since its invention in 2002, a high sensitivity and selectivity in gas analysis. The light source used in the QEPAS is a tunable diode laser (Laser SC), thus making the technique more selectively, by varying the wavelength of emission as a function of injected current and / or control temperature to be located on a line desired to detect. The detector is QEPAS of quartz tuning fork (QTF). The latter is very sensitive to small force applied by the acoustic wave, which makes the technique very sensitive to low concentrations. Several steps are required characterization to determine the characteristics of the laser diode and the QTF. After choosing the laser diode and the QTF, ideal for spectroscopy, we pass to the evaluation of the technique QEPAS in gas analysis. The detection limits of methane obtained with the technique are QEPAS 0.8 ppmv and 400 ppbv to 2.3 microns with a Fabry-Perot laser and a photonic crystal laser, respectively, and 100 ppbv to 3.3 microns with a DFB laser.This work has provided a powerful technique (sensitive, selective, cheap ...) in gas analysis.

Notre travail porte sur l'étude du Problème de Routage et d'Allocation de Longueur d'Onde (Routing and Wavelength Allocation - RWA) dans des réseaux optiques WDM, indépendamment de la topologie physique sous-jacente. Le problème a été idntifié comme étant NP-difficile et plusieurs approches, tant exactes qu'approchées, existent. Nous fournissons d'abord une revue de littérature dans laquelle nous présentons quelques formulations mathématiques pour le problème ainsi que plusieurs manières d'obtenir des bornes inférieures et des heuristiques. Nous considérons le problème min-RWA dans lequel on doit satisfaire un certain nombre de requêtes avec le moins de longueurs d'onde possible. Nous présentons une méthodologie reposant sur une recherche locale de type Descente à Voisinage Variable (Variable Neighborhood Descent - VND) que l'on appelle VND-BFD. Son objectif principal est de supprimer des longueurs d'onde. Nous présentons également une méthode hybride VND-BT. Ensuite, nous proposons une nouvelle approche, elle-aussi reposant sur la VND. Elle consiste à ré-arranger les requêtes entre les longueurs d'onde disponibles. Lorsqu'elle atteint un optimum local, une procédure de perturbation est appliquée et le schéma est similaire à la Recherche Locale Itérée (Iterated Local Search - ILS). Quatre variantes sont définies selon les stratégies appliquées dans VND et ILS : VNDr-ILSp, VNDe-ILSp, VNDr-ILS5p et VNDe-ILS5p. Les résultats expérimentaux montrent que cette nouvelle approche est plus performante, en particulier la version VNDe-ILS5p. La méthode est compétitive avec les meilleures méthodes de la littérature puisque VNDe-ILS5p a permis d'améliorer une grande partie des meilleures solutions connues sur les instances standard du min-RWA. Enfin, nous considérons aussi le problème max-RWA dans lequel on doit maximiser le nombre de requêtes traitées avec un nombre donné de longueurs d'onde. Nous proposons des modèles compacts ainsi que des améliorations destinées à accélérer la résolution par des solveurs en nombre entiers. Après avoir décrit des modèles existants utilisant la génération de colonnes, nous proposons un nouveau modèle, PG-MAX-IS-IRC, utilisant lui-aussi la génération de colonnes. Il permet d'obtenir des bornes supérieures de même qualité en un temps très fortement réduit. / This work deals with the routing and Wavelength assignment (RWA) in optical WDM networks independently on the underlying physical topology. We begin with a review of the literature presented some mathematical models formulated to solve theproblem, are also reviewed methods for setting lower bounds and heuristic methods. This problem has been shown to be NP-hard and several heuristic algorithms have been developed to solve it. We present in this work a methodology based on metaheuristic Variable Neighborhood Descent (VND), which we call VND-BFD, primarily with the focus on the elimination of wavelengths and a hybrid method VND-BT to solve the problem. Then we introduce a new approach also based on VND, but this time with the focus on the rearrangement of the requests, when this new version of the VND fails the procedure activates a disturbance, as the metaheuristic Iterated Local Search. We define four variants to this method, which we call VNDr-ILSp, VNDe-ILSp, VNDr-ILS5p and VNDe-ILS5p. The computational experiments show that the approach with the focus on requestsproved more efficient, especially the version VNDe-ILS5p. The proposed method is competitive with respect to the best methods in the literature. Finally, we present compact models aimed at maximizing the number of requests accepted and some simplifications are proposed in order to speed up the resolution of problems. Although we present some models of literature based on column generation and a new methodology is proposed. The new methodology, which we call PG-MAX-IS-IRC, was able to solve all instances faster than the method of the literature and always found the same upper bound.

La demande croissante en composants optoélectroniques de taille réduite, rapides, de faible puissance et à faible coût oriente la recherche vers des sources et détecteurs de radiation ayant une dimension inférieure à la longueur d'onde émise/détectée. Cette dernière est entravée par la limite de diffraction qui fixe la dimension minimale des dispositifs optiques à la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement. A l'inverse, les dispositifs électroniques, tels que les antennes et les oscillateurs, ne sont pas limitée en taille et leur fréquence peut être accordée par des composants discrets. Par conséquent, unifier les mondes de la photonique et de l'électronique permettrait de concevoir de nouveaux dispositifs optoélectroniques sans limitation de taille imposée par la longueur d'onde et ayant des fonctionnalités empruntées aux circuits électroniques. La région spectrale idéale pour développer ce paradigme est la gamme térahertz (THz), à mi-chemin entre les domaines de l'électronique et de l'optique. Dans la première partie de ces travaux, nous présentons de nouveaux micro-résonateurs sub-longueur d’onde en 3D qui fonctionnent comme des circuits LC microscopiques et où la fréquence de résonance peut être accordée en agissant séparément sur la région capacitive et/ou inductive. Dans la deuxième partie, nous illustrons la puissance de cette approche en réalisant de nouveaux méta-dispositifs THz passifs (polaritoniques, commutables optiquement, optiquement actifs) basés sur des composants discrets. La dernière partie de cette thèse est consacrée aux méta-dispositifs actifs. Des photodétecteurs THz à puits quantiques ayant une dimension ≈λ eff /10, en configuration objet unique et réseau sont démontrées, grâce à un schéma de contact efficace et originale pour extraire (injecter) un courant depuis (dans) le cœur semi-conducteur intégré dans chaque résonateur. Enfin, une étude de faisabilité d'un laser sub-longueur d’onde aux fréquences THz est présentée. / The need for small, fast, low-power and low-cost optoelectronic components is driving the research towards radiation sources and detectors having a dimension that is smaller than the emitted/detected wavelength. This is hampered by the optical diffraction limit which constrains the minimum dimension of optical devices at half the operating wavelength. Conversely, electronic devices, such as antennas and oscillating circuits, are not diffraction-limited in size and can be frequency tuned with lumped components. Hence, blending the worlds of photonics and electronics has the potential to enable novel optoelectronic devices with no lower size limit imposed by the wavelength, and with novel functionalities borrowed from electronic circuits. The ideal spectral region to develop this paradigm is the terahertz (THz) range, halfway between the electronics and optics realms. In the first part of this work, we present novel subwavelength 3D micro-resonators that behave as microscopic LC circuits, where the resonant frequency can be tuned acting separately on the capacitive and/or inductive regions. In the second part we illustrate the power of this concept by implementing novel lumped-elements-based passive THz meta-devices (polaritonic, optically switchable, optically active). The last part of this thesis is devoted to active meta-devices. Single-pixel and arrays of THz quantum well photodetectors featuring a ≈λeff/10 dimension are demonstrated, thanks also to an effective and original contact scheme to extract (inject) current from (into) the semiconductor core embedded by each resonator. Finally, a feasibility study of a subwavelength laser at THz frequencies is reported.

L'analyse spectrale d'une scène infrarouge permet une meilleure identification des objets la composant. Il est possible d'obtenir du filtrage spectral grâce à des résonances optiques au sein de nanostructures. Cette thèse traite de l'utilisation de structures à réseau sub-longueur d'onde pour obtenir des filtres spectraux à l'échelle d'un pixel de détection. Je me suis concentré sur l'étude de filtres à résonance de mode guidé, constitué d'un réseau de couplage associé à une couche mince diélectrique, qui nécessite typiquement de grandes surfaces pour fonctionner. J'ai mené une étude numérique du comportement spectral et angulaire de ces structures et j'ai envisagé deux possibilités pour obtenir un filtrage sur de petites dimensions: l'utilisation d'une cavité résonante dans le guide d'onde à l'aide de miroirs latéraux et l'utilisation de réseaux métalliques.L'analyse numérique de la réponse optique des structures à réseau métallique montre qu'il est possible d'obtenir une extension spatiale limitée du champ électromagnétique dans le guide d'onde à la résonance. Grâce à cette faible extension, j'ai pu étudier numériquement des filtres à résonance de mode guidé foisonnants sur des longueurs aussi faibles que 30 µm. J'ai aussi pu établir un processus de fabrication en salle blanche puis caractériser des filtres de la taille d'un pixel de détection infrarouge.Finalement, j'ai étudié la possibilité de fabriquer des mosaïques de filtres à résonance de mode guidé pour le filtrage spectral à proximité d'un détecteur plan focal. J'ai pu démontrer que les dimensions, les transmissions résonantes et les tolérances angulaires de ces filtres les rendent compatibles avec une telle utilisation. J'ai alors pu montrer un exemple d'architecture simple de caméra multi-spectrale infrarouge mettant en jeu une mosaïque de filtres à résonance de mode guidé. / Spectral analysis of an infrared scene allows for a better identification of its components. Nanotechnologies offer new opportunities to achieve spectral filtering thanks to optical resonances. In this thesis, I use sub-wavelength gratings to achieve spectral filtering on areas as small as a pixel. I focused on the study of guided-mode resonance filters, made of a coupling grating and a thin dielectric layer acting as a waveguide. This structure typically needs large surfaces to filter infrared light. However, I proposed two possible modifications of this structure: either using a resonant cavity or using metallic gratings.Numerical analysis of the optical response of structures with a metallic grating showed that the spatial extension of the electromagnetic field is limited at the resonant wavelength. Thanks to this short extension, I is possible to achieve filtering with only 30 µm-long guided-mode resonance filters. I also fabricated and characterized those pixel-sized filters.Finally, I studied mosaics of small guided-mode resonance filters. I showed that the dimensions, the resonant transmissions and the angular acceptance of those mosaics are compatible with using them inside multi-spectral cameras. I also showed a sample architecture for an infrared multispectral-camera using a mosaics of guided-mode resonance filters.