La méta-optique non linéaire tout diélectrique suscite un vif intérêt, grâce à la faisabilité de nanostructures à contraste élevé et indice de réfraction disponible avec la lithographie à semi-conducteurs. Alors que des effets nonlinéaires au troisième ordre ont été rapportés dans les nanoantennes silicium sur isolant, la plate-forme AlGaAs-sur-isolant a récemment permis la démonstration de la génération de la seconde harmonique, dû à la noncentrosymétrie de ce matériel. Cette thèse illustre notre activité récente sur les nanoantennes non linéaires AlGaAs-sur-AlOx, où AlOx est obtenu par attaque chimique sélective par voie humide d'une couche épitaxiale d'AlGaAs riche en aluminium d'une épaisseur de quelques micromètres. Un tel substrat à faible indice de réfraction permet de découpler efficacement les modes nanoantenna de la tranche de GaAs (100) sous-jacent. La thèse présente d'abord les méthodes numériques, expérimentales et technologiques utilisées. Une analyse des résultats obtenus dans la génération de signaux non linéaires dans des nanoantennes simples et dans des structures complexes est ensuite présentée. Tous nos résultats expérimentaux ouvrent la voie à la génération et à la manipulation de signaux non linéaires à l'échelle nanométrique et pointent vers des applications telles que l'holographie non linéaire, la goniométrie sans fond et la vision nocturne. / All-dielectric nonlinear meta-optics is attracting a great deal of interest thanks to the feasibility of high refractive-index contrast nanostructures available with semiconductor lithography. While third order nonlinear effects have been reported in silicon-on-insulator nanoantennas, the AlGaAs-on-insulator platform has recently enabled the demonstration of second harmonic generation, owing to the non-centrosymmetry of this material. This PhD thesis illustrates our recent activity on AlGaAs-on-AlOx nonlinear nanoantennas, where AlOx is obtained from selective wet etching of micrometer-thick aluminium-rich AlGaAs epitaxial layer. Such a low refractive index substrate allows to effectively decouple the nanoantenna modes from the underlying GaAs (100) wafer. The thesis first introduces the numerical, experimental and technological methods employed. Afterwards, a review of the results obtained in nonlinear signal generation in single nanoantennas and in complex structures is given. All our experimental results pave the way towards nonlinear signal generation and manipulation at the nanoscale, and point towards applications such as nonlinear holography, background-free goniometry and night vision.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit traite du développement de dispositifs à base de dioxyde de vanadium VO₂ et de méta-surfaces dans le moyen infrarouge pour des applications passives et une intégration sur des lasers à cascade quantique (QCL). Ce travail a permis l'élaboration de nouvelles conditions de dépôt du matériau à changement de phase VO₂ par ablation laser pulsé à des températures compatibles avec les hétérostructures de III-V utilisées en optoélectronique. Les caractérisations des couches minces déposées montrent un changement de la réflectivité et de la conductivité électrique entre l'état isolant à basse température et l'état métallique à haute température autour de 68°C (341 K). Des développements ont ensuite été menés sur l'emploi d'un réseau de méta-surfaces permettant d'obtenir une couche homogène d'indice de réfraction effectif résonnant. Ces méta-surfaces sont constituées de résonateurs à anneau fendu dont la fréquence de résonance peut être ajustée par le choix de leurs paramètres géométriques et des matériaux les constituant. Une modulation optique de plus de 100cm-1 du pic de la résonance a été obtenue lors de la transition de phase avec des méta-surfaces déposées sur un film de VO₂. Ce résultat est très prometteur pour la conception de dispositifs monolithiques, robustes, compacts, accordables en fréquence et dont les propriétés optiques ne dépendent que de la température de la couche de VO₂.Enfin, ce travail étudie la fonctionnalisation des QCL dans le moyen infrarouge (7-8 µm) par des couches de VO₂ et de méta-surfaces. Il vise à comprendre l’influence des couches intégrées sur les propriétés d’émission. Afin de garantir une bonne interaction entre ces couches et le mode guidé du laser tout en ayant des pertes optiques faibles, des nouveaux guides d'onde ont été modélisés, puis les premiers QCL à base de VO₂ ont été démontrés et une température maximale de fonctionnement de 334 K a été mesurée. / The thesis work presented in this manuscript deals with the development of vanadium dioxide VO₂ and meta-surfaces based devices in the mid-infrared for passive applications and an integration on quantum cascade lasers (QCL).This work enabled the elaboration of new deposition conditions for the VO₂ phase change material by pulsed laser ablation at temperatures compatible with III-V heterostructures used in optoelectronics. The characterizations of the VO₂ coated thin films show a change in reflectivity and in electric conductivity between the insulating state at low temperature and the metallic state at high temperature around 68°C (341 K).Developments were then carried out on the use of a meta-surfaces array in order to obtain an homogeneous layer of resonant effective refractive index. These meta-surfaces are constituted by split-ring resonators, whose resonance frequency can be adjusted by choosing their geometric parameters and the materials they are made of. An optical modulation of more than 100cm-1 of the resonance peak has been obtained during the phase transition with meta-surfaces deposited on a VO₂ layer. This result is very promising for the conception of monolithic, robust, compact, frequency tunable devices and whose optical properties only depend on the VO₂ layer temperature.Finally, this work studies the functionalization of mid-infrared QCL (7-8 µm) with VO₂ and meta-surfaces layers. It aims at understanding the influence of the integrated layers on the emission properties. In order to ensure a good interaction between these layers and the laser guided mode while having low optical losses, new waveguides were modeled, then the first VO₂ based QCL have been demonstrated and a maximum operating temperature of 334 K has been measured.