L'objectif de ce travail porte sur l'étude et la réalisation de résonateurs optiques à état liquide en microfluidique digitale. Les gouttes sphériques constituent des résonateurs à mode de galerie, dans lesquels la lumière peut être piégée par réflexion totale interne. A l'échelle microscopique, elles exhibent des propriétés optiques remarquables. Leurs facteurs de qualité très élevés en font notamment des objets propices à l'étude de phénomènes optiques non linéaires, tel l'effet laser, et leur confèrent un potentiel certain en spectroscopie. Par ailleurs, la microfluidique digitale, qui a trait aux systèmes multiphasiques dans des microcanaux artificiels, offre une grande liberté de manipulation des microgouttes : génération au kHz, transport, encapsulation, fusion, division, stockage, triage... Aussi, pour les laboratoires-sur-puce, le développement de ces microgouttes en cavités résonantes constitue une opportunité d'intégrer des outils d'analyse optique capables de sonder des échantillons allant du picolitre au nanolitre.Après un exposé des propriétés optiques des résonateurs à modes de galerie, ce mémoire rapporte les travaux réalisés. Une présentation des méthodes de microfabrication et du montage expérimental précède l'étude de la génération de cavités optiques liquides en dynamique. Ces cavités résonantes sont ensuite appliquées aux sources lasers microfluidiques. En particulier, un effet laser a été mis en évidence dans des microgouttes sphériques d'éthylène glycol contenant de la rhodamine 6G. Enfin, une ouverture sur des systèmes couplant microgouttes et cavités Fabry-Perot présente d'autres perspectives telles que l'analyse de gouttes passives en intravité laser ou bien la commutation rapide de la longueur d'onde d'émission de lasers microfluidiques monomodes.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude de résonateurs cyclique (à symétrie de révolution) dans lesquels existent des modes confinés de très haute surtension, appelés « modes de galerie ». Dans ces modes, la lumières est guidée dans le diélectrique constituant le résonateur le long d'un cercle équatorial par une succession de réflexion totales internes à l'interface diélectrique/air et les résonances correspondent à une condition de retour en phase. Les résonances sont très fines ce qui permet d'envisager des applications aussi biens passives (filtrage, insertion/extraction) qu'active (laser faible seuil, fonction non-linéaire).<br />Ce manuscrit de thèse est constitué de deux parties distinctes :<br />La première partie, qui concerne les fonctions passives à base de micro-résonateur planaire, présente différents outils (numérique et analytique) qui permettent de modéliser le comportement de ces structures et démontre la complémentarité de ces outils.<br />La deuxième partie concerne les lasers micro-sphériques (dopés Erbium) et plus précisément le problème de l'interaction entre les modes d'une micro-sphère et un miroir métallique.

L’objectif de ce travail porte sur l’étude et la réalisation de résonateurs optiques à état liquide en microfluidique digitale. Les gouttes sphériques constituent des résonateurs à mode de galerie, dans lesquels la lumière peut être piégée par réflexion totale interne. A l’échelle microscopique, elles exhibent des propriétés optiques remarquables. Leurs facteurs de qualité très élevés en font notamment des objets propices à l’étude de phénomènes optiques non linéaires, tel l’effet laser, et leur confèrent un potentiel certain en spectroscopie. Par ailleurs, la microfluidique digitale, qui a trait aux systèmes multiphasiques dans des microcanaux artificiels, offre une grande liberté de manipulation des microgouttes : génération au kHz, transport, encapsulation, fusion, division, stockage, triage… Aussi, pour les laboratoires-sur-puce, le développement de ces microgouttes en cavités résonantes constitue une opportunité d’intégrer des outils d’analyse optique capables de sonder des échantillons allant du picolitre au nanolitre.Après un exposé des propriétés optiques des résonateurs à modes de galerie, ce mémoire rapporte les travaux réalisés. Une présentation des méthodes de microfabrication et du montage expérimental précède l’étude de la génération de cavités optiques liquides en dynamique. Ces cavités résonantes sont ensuite appliquées aux sources lasers microfluidiques. En particulier, un effet laser a été mis en évidence dans des microgouttes sphériques d’éthylène glycol contenant de la rhodamine 6G. Enfin, une ouverture sur des systèmes couplant microgouttes et cavités Fabry-Perot présente d’autres perspectives telles que l’analyse de gouttes passives en intravité laser ou bien la commutation rapide de la longueur d’onde d’émission de lasers microfluidiques monomodes. / The purpose of this work is to study and realize liquid state optical resonators in digital microfluidics. Spherical droplets may behave as whispering gallery mode resonators, in which light is trapped by total internal reflections. At the microscopic scale, they exhibit outstanding optical properties. Their high quality factors make them attractive for studying non-linear optical phenomena, such as lasing, and for spectroscopy. In another field of research, digital microfluidics, that deals with multiphase fluid systems in artificial microchannels, also involves microdroplets. It offers a high degree of freedom in handling microdroplets: kHz generation, transport, encapsulation, fusion, division, stockpiling, sorting… Therefore, in lab-on-chip systems, turning microdroplets into resonant microcavities constitutes an opportunity for integrating optical analysis tools that can probe picoliter to nanoliter samples.After a review of the optical properties of whispering gallery mode resonators, this thesis reports the experimental results. A presentation of the methods of microfabrication and of the experimental bench top precedes the study of the dynamic generation of liquid optical microcavities. Then, these resonant cavities are applied to microfluidic laser sources. In particular, lasing effect has been demonstrated in spherical microdroplets of ethylene glycol and rhodamine 6G. Finally, an opening towards systems that combine microdroplets and Fabry-Perot cavities presents other perspectives such as the analysis of passive droplets in laser intacavity or the capability of fast switching the output wavelength of single mode microfluidic dye lasers.

Les modes de galerie découverts par Lord Rayleigh en 1910 trouvent aujourd'hui des applications en optique intégrée sur silicium. Des cavités aux résonances extrêmes ont pu être intégrées sur silicium sur isolant (SOI) ou sur semi-conducteurs III-V. Ces composants permettent de réaliser des fonctions passives et actives pour la microélectronique, les télécommunications ou l'électrodynamique quantique en cavité. Avec ces nouvelles applications, de nouveaux composants faisant interagir le mode de galerie avec des éléments extérieurs comme un réseau de Bragg ou des guides optiques sont apparus. Les méthodes de modélisation de l'optique intégrée étant peu adaptées pour simuler ces cavités aux géométries particulières, nous avons développé deux modèles pour d´écrire ce type d'interaction. Le premier, basé sur le formalisme de Floquet-Bloch, permet de d'écrire des modes de galerie fortement perturbés par une modification géométrique de la cavité. Le second, basé sur une méthode de perturbation, permet de d´écrire des interactions de faible amplitude avec des objets extérieurs comme des guides optiques. Ces résultats ont été validés par une comparaison avec la méthode des différences finies en domaine temporel. Nos modèles ont ensuite été comparés aux réalisations expérimentales de fonctions passives sur SOI (filtres et démultiplexeurs) fabriquées au CEA-LETI, et de fonctions actives (Phosphure d'Indium et silice dopée Erbium) réalisées au LEOM ou au DRFMC. Nous avons ainsi pu caractériser des composants ayant des facteurs de qualité de 90 000.

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.

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la fabrication et la caractérisation de résonateurs nano-optomécaniques sous forme de disques en arséniure de Gallium (GaAs). Ces disques sont à la fois des résonateurs mécaniques oscillant au GHz, et des résonateurs optiques à mode de galerie à haut facteur de qualité (>10^5). En confinant l'énergie mécanique et optique sur un volume sub-µm^3, ils permettent d'atteindre un couplage optomécanique extrêmement large (g0 >1 MHz). Nous présentons les développements technologiques ayant permis l'intégration de ces résonateurs avec des guides de couplage optique directement sur échantillon semi-conducteur, tout en maintenant des performances à l'état de l'art. Nous discutons les différents mécanismes de couplage optomécanique (pression de radiation, photoélasticité) dans les disques GaAs, ainsi que les sources de dissipation optique et mécanique dans ces résonateurs. Nous présentons également des expériences d'optomécanique à l'air libre et en cryostat à basse température, allant de la mesure du mouvement brownien et l'observation de rétroaction dynamique, jusqu'à des premières tentatives d'approche du régime quantique du mouvement. Enfin, nous présentons un développement nano-optomécanique complémentaire mené sur le matériau nitrure de silicium (SiN), aboutissant à la fabrication de résonateurs à mode de galerie sur puce à haut facteur de qualité. Après l'étude des instabilités optiques et de la dynamique d'auto-pulsation de ces résonateurs, nous présentons des premières signatures de couplage optomécanique dissipatif dans ces systèmes.