Au laboratoire, cette thèse fait suite à des modélisations sur des fonctions passives intégrées optiques à base de micro-résonateurs en anneaux. Pour les réaliser, une étude de toutes les étapes de réalisation de circuits en polymère a été effectuée. Les objectifs sont l'obtention de guides arêtes, ridge monomodes avec des performances acceptables et la miniaturisation de fonctions avec les matériaux et technologies envisageables au CCLO. Des points bloquants ont été identifiés au départ, tels que le manque d'adhérence entre matériaux, les incompatibilités technologiques et optiques entre polymères, les phénomènes liés au procédé occasionnant des pertes optiques excessives. Après un état de l'art sur les polymères pour guides d'ondes optiques, le manuscrit présente les travaux spécifiques sur le choix des matériaux et l'évaluation de l'adhérence de polymères amorphes sur les substrats envisagés, ainsi que la qualité et la reproductibilité des dépôts et leur gravure sèche par plasma. L'analyse de l'apparition de défauts de surface des films et " ridge " ainsi que les solutions trouvées pour les éliminer, sont plus particulièrement développés. L'adaptation de la photolithographie classique en UV proche est détaillée pour atteindre des tailles de motifs submicroniques. Les résultats des méthodes d'analyse entreprises pour discriminer les différents facteurs de pertes optiques en propagation sont discutés. Enfin, les réalisations de guides monomodes à base de polymères méthacryliques pour le coeur ainsi que les premières structures de filtres et multiplexeurs en micro-résonateurs intégrés en anneaux et à faible intervalle spectral libre (1-3nm) sont présentées et analysées.

Les micro-résonateurs (MRs) sont devenus des éléments clés de la conception de capteurs optiques intégrés, car étant plus miniaturisés que l’existant, ils s’intègrent mieux dans des systèmes ''lab-on-chip'', ce qui permet aussi de réduire le volume des molécules à détecter. Les MRs sont de plus très sensibles à la variation d’indice effectif provoquée par la présence de molécules dans le milieu de détection. Dans cette thèse, nous avons utilisé deux types de matériaux différents: les polymères et le silicium poreux. Les polymères, facilement réalisables avec des méthodes de fabrication peu onéreuses, sont dans un premier temps utilisés pour valider les outils de simulation développés pour l’étude des caractéristiques des MRs pour l’application capteur basée sur la détection par évanescence. Le silicium poreux permet d'exploiter un autre mode de détection, la détection en volume. Les molécules présentes dans le milieu de détection s'infiltrent dans le matériau et réagissent de manière directe avec la lumière. En utilisant les outils de simulation développés et en adaptant le procédé de photolithographie classique utilisé pour la fabrication de MRs en polymères, des premiers MRs constitués de guides ridges à base de silicium poreux sont mis en œuvre et caractérisés. Ces travaux de thèse démontrent expérimentalement la possibilité de détecter des concentrations de glucose avec une meilleure sensibilité que l'état de l'art pouvant atteindre les 600 nm/RIU, pour les domaines utilisant la détection et l'analyse de molécules (santé-agro, défense-sécurité, environnement). / Micro-resonators have become key element for integrated optical sensor because they offer the advantage of significantly minimizing the device size, which allows an easily integration on lab-on-chip and greatly reduces the amount of molecules to be detected. Moreover, micro-resonators are extremely sensitive to the effective index variation induced by the presence of molecules in the detection medium. The thesis focuses on two different materials: polymers and porous silicon. Firstly, polymers, easily implementable with a low cost fabrication, are used to validate the simulation tools developed for the study of micro-resonators characteristics in order to perform sensing application based on the detection by evanescence. Then, porous silicon is investigated in order to operate another type of detection, the detection by volume. The molecules to be detected and present in the medium detection infiltrate into the material and interact directly with the light. Using simulation tools and by adapting the photolithographic process used for polymers micro-resonators fabrication, the first micro-resonators based on porous silicon ridge waveguides are obtained and characterized. The work contained in this thesis demonstrate experimentally the possibility of sensing concentrations of glucose with a sensitivity of 600 nm/RIU, using volume detection, which is higher than the state of the art, for domains using the sensing and analysis of molecules (health, food industries, security and environment).

Le développement de capteurs pour la détection de molécules présentes en très faible concentration est un enjeu sociétal et économique. Il permet de répondre à des besoins de mesure d’analytes dans les secteurs de la santé, de la défense ou encore de l’environnement. Les capteurs optiques intégrés possèdent plusieurs avantages permettant de répondre à ces problématiques. Dans cette thèse, des capteurs optiques intégrés à base de deux micro-résonateurs sont développés. Ils fonctionnent dans le domaine du proche infrarouge et permettent de détecter des molécules d’intérêt présentes en très faible quantité dans un échantillon biologique. Dans un premier temps, les critères de performances comme la sensibilité ou la limite de détection de micro-résonateurs seuls sont définis et optimisés. Puis, l’intérêt de transducteurs à base de deux micro-résonateurs cascadés ou insérés dans une structure interférométrique de type Mach-Zehnder permettant d’utiliser l’effet Vernier est mis en avant. Un algorigramme permettant d’optimiser la conception des transducteurs à effet Vernier est mis en place. Son efficacité est démontrée par la fabrication d’un transducteur à effet Vernier en matériaux polymères qui possède des performances dans l’état de l’art. Ensuite, des transducteurs en matériau silicium poreux sont étudiés. Ce matériau poreux permet d’augmenter la sensibilité du capteur en facilitant le greffage des analytes dans la structure. Les guides en silicium poreux pour la réalisation de micro-résonateurs simples sont optimisés théoriquement. L’avantage de l’utilisation conjointe de guides en polymères et en silicium poreux couplés sur la même puce intégrée, qui permet à la fois de réduire les pertes de propagation optique et d’augmenter la sensibilité du transducteur, ainsi qualifié d’hybride, est détaillé dans ce manuscrit. Les performances en sensibilité et limite de détection de transducteurs à effet Vernier hybride fabriqués à l’aide de guides en silicium poreux et en polymères sont étudiées théoriquement afin de prédire les performances de ces dispositifs. Enfin la mise en œuvre et les premiers essais de fabrication de transducteurs hybrides avec des guides en polymères et en silicium poreux sont détaillés. / The development of biosensors for the detection of extremely low concentration analytes is an economic and societal challenge. It ensures the needs to detect analytes in the economic fields of healthcare, defense and environment. Integrated optical sensors have several advantages to address these challenges. In this thesis, near infrared integrated biosensors for detection of low concentration molecules in biological samples are developed. They are based on two integrated micro-resonators transducers. Firstly, performances criterions such as sensitivity and limit of detection are defined and optimized for single micro-resonator biosensors. The advantage of micro-resonator transducers based on the Vernier effect are presented. To do so, a flowchart is developed in order to optimize the design of Vernier effect integrated transducers based on cascaded micro-resonators or micro-resonators positioned in a Mach-Zehnder interferometric structure. The efficiency of the design procedure is tested by the fabrication of a polymer transducer based on the Vernier effect with state of the art performances. Then, transducers based on porous silicon material are studied. This porous material eases the penetration and the grafting of the analytes in the sensor. Porous silicon waveguides are theoretically optimized for the fabrication of single micro-resonators. The interest of the implementation of polymer and porous silicon waveguides coupled on the same integrated chip, in order to reduce optical propagation losses and to increase sensor sensitivity, is demonstrated. The performances in sensitivity and limit of detection of hybrid porous silicon and polymer waveguides Vernier effect transducers are theoretically studied in order to estimate the performances of these integrated biosensors. Eventually, the design and the first fabrication trials of hybrid porous silicon and polymer waveguides transducers are presented.

Le confinement électrique et optique par oxydation des couches minces d'AlGaAs est une étape essentielle dans la réalisation des composants photoniques actifs et passifs dans la filière de matériaux GaAs. La recherche de performances ultimes sur ces composants nécessite une meilleure maîtrise du procédé d'oxydation ainsi qu'une meilleure connaissance des propriétés optiques de l'oxyde d'aluminium (AlOx). Dans cette perspective, j'ai d'abord réalisé une étude expérimentale de la vitesse d'oxydation des couches d'AlGaAs en fonction de la température du substrat, de la composition en gallium des couches étudiées, de la pression atmosphérique et de la géométrie des mesas considérés. Puis, j'ai établi un modèle anisotrope permettant une meilleure résolution spatiale et temporelle de la forme du front d'oxydation de l'AlAs. Enfin, j'ai exploité ce procédé pour réaliser des composants d'optique guidée notamment des micro-résonateurs puis réalisé des guides optiques à fente et caractérisé leurs performances optiques. / Optical and electrical confinement using Al(Ga)As layer oxidation is a key milestone in the fabrication of active and passive GaAs-based photonic components. To optimize those devices, through the control of the optical and electrical confinements, a better modelling of oxidation process and a better understanding of optical properties of aluminum oxide (AlOx) is required. One part of this work is focusing on a throughout experimental study of AlGaAs oxidation kinetics, where I studied different important parameters such as wafer temperature, gallium composition, atmospheric pressure and mesa geometry. Then, I developed a new predictive model taking into account the process anisotropy, thus allowing a better temporal and spatial of AlAs oxidation front evolution. Finally, I could exploit this technological process to realize whispering gallery mode microdisks as well as slot optical waveguides, and I have characterized this latter photonic devices.