Les débits des télécommunications optiques sont considérablement accrus par le multiplexage<br />dense en longueur d'onde (D.W.D.M.). Pour séparer les différents canaux, des filtres fréquentiels<br />ultra-sélectifs sont nécessaires. Les réseaux résonnants, formés d'un réseau gravé sur un guide<br />d'onde plan, sont une solution potentielle. Ces structures supportent des modes propres pouvant<br />être excités par une onde issue d'une fibre optique. L'excitation produit un pic de résonance en<br />réflexion à une longueur d'onde et un angle d'incidence donnés. Le pic ne présente en général<br />pas les qualités requises pour le D.W.D.M. : en incidence oblique, les tolérances angulaire et<br />spectrale sont faibles et les profils dépendent de la polarisation. En conjuguant les concepts des<br />cristaux photoniques, une théorie phénoménologique rigoureuse et une théorie perturbative, nous<br />concevons un filtre répondant à toutes les contraintes imposées par le D.W.D.M.. Nos résultats<br />sont validés par des exemples numériques.

Un filtre a réseau résonnant est une structure simple composée d'un empilement de quelques couches de matériau diélectrique sur lequel est gravé un réseau sub-longueur d'onde. Leur atout principal est la finesse spectrale accessible: en pratique, des facteurs de qualité supérieurs 'a 7000 ont déjà été obtenus. Les domaines d'applications concernés sont les télécommunications optique, la spectroscopie, les lasers, la détection...Nous souhaitons développer le potentiel des filtres à réseau résonnants en étudiant la possibilité d'accorder leur longueur d'onde de centrage par effet electro-optique. Nous avons choisi deux matériaux electro-optiques, le Niobate de Lithium et le Titanate de Baryum, en raison de leurs fortes propriétés électro-optiques. Nous avons développé un outil numérique basé sur la Méthode Modale de Fourier incluant des matériaux anisotropes. Ceci est indispensable pour analyser les effets liés à la polarisation de l'onde incidente. Nous avons compare différentes configurations, permettant une accordabilité forte (jusqu'à 90nm) ou faible, indépendante ou non de la polarisation. Pour chaque cas, une interprétation physique des 105 effets observés est donnée. Enfin, nous concluons par des considérations pratiques concernant la fabricabilité des structures et l'influence des pertes par absorption.

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.

La plasmonique vise à utiliser des nanostructures métalliques très petites devant la longueur d’onde pour manipuler la lumière. Les structures métalliques sont particulières parce qu’elles contiennent un plasma d’électrons libres qui conditionne complètement leur réponse optique. Notamment, lorsque la lumière se propage à proximité des métaux, sous forme de mode guidés comme les plasmons et les gap-palsmons, elle est souvent lente, présentant une vitesse de groupe faible. Dans ce travail, nous présentons une analyse physique qui permet de comprendre cette faible vitesse en considérant le fait que l’énergie se déplace à l’opposé de la lumière dans les métaux. Nous montrons que la vitesse de groupe est égale à la vitesse de l’énergie pour ces modes guidés, et proposons la notion de ralentissement plasmonique. Finalement, nous étudions comment cette « trainée plasmonique » rend une structure aussi simple qu’un coupleur à prisme sensible à la répulsion entre les électrons du plasma. / The field of plasmonics aims at manipulating light using deeply subwavelength nanostructures. Such structures present a peculiar optical response because of the free electron plasma they contain. Actually, when light propagates in the vicinity of metals, usually under the form of a guided mode, it presents a low group velocity. Such modes, like plasmons and gap-plasmons, are said to be slow. In this work we present a general physical analysis of this phenomenon by studying how the energy propagates in metals in a direction that is opposite to the propagation direction of the mode. We show that the group velocity and the energy velocity are the same, and finally introduce the concept of plasmonic drag. Finally, we study how slow guided modes make structures as simple as prism couplers sensitive to the repulsion between electrons inside the plasma.

Un CRIGF (pour Cavity Resonator Integrated Grating Filter) est un filtre spectral nanophotonique présentant une bande passante étroite (inférieure au nanomètre) fonctionnant avec un faisceau relativement focalisé. Cette structure, introduite récemment (2010), est composée d'un réseau à résonance de mode guidé (ou réseau résonnant, ou encore réseau coupleur) inséré entre deux réseaux de Bragg. Les réseaux à résonance de mode guidé sont connus pour présenter dans leur spectre en réflexion (ou transmission) des pics très étroits, dus à l'excitation, via un ordre de diffraction, d'un mode guidé de la structure. Ce phénomène de résonance correspond à une anomalie de Wood. Mais leur majeure limitation reste leur très faible tolérance angulaire, et le CRIGF permet de lever ce problème.Dans la littérature, numériquement le CRIGF a été modélisée par la FDTD seulement avec d’importants temps de calculs. Nous avons utilisé la RCWA pour modéliser numériquement le CRIGF en apportant une possibilité de recherche des modes propres. Nous avons surtout montré grâce aux calculs que le comportement angulaire extraordinaire du CRIGF est très différent de celui des réseaux infinis. Nous avons prouvé grâce à la théorie des modes couplés étendue à quatre modes que cette large tolérance angulaire est due à l'existence d'un couplage additionnel qui n’existait pas dans les réseaux infinis. Grâce à une approche basée sur la cavité de Fabry-Pérot, nous avons confirmé que le CRIGF se comporte comme une cavité de Fabry-Pérot à pertes, ce qui nous a permis de définir des règles de conception simples comme le contrôle de la largeur spectrale et le repositionnement de la longueur d’onde de centrage / A CRIGF (Cavity Resonator Integrated Grating Filter) is a nanophotonic spectral filter with a narrow bandwidth (less than a nanometer) using a relatively focused beam. This structure, introduced recently (2010), is composed of a guided mode resonance grating filter (or resonant grating, or coupler grating) inserted between two Bragg gratings. Guided mode resonance gratings are known to exhibit very narrow peaks in their reflection spectrum (or transmission), due to the excitation of one guided mode of the structure via one diffraction order. This resonance phenomenon corresponds to an anomaly of Wood. But their major limitation remains their very low angular tolerance, and the CRIGF allows to overpass this problem.In literature, the numerical modeling of CRIGF was done only by FDTD with an important calculations time. We have used RCWA to model numerically the CRIGF by bringing a possibility of research of the eigen-modes. We have mainly shown thanks to calculations the extraordinary angular behavior of the CRIGF is very different from that of infinite gratings. We have proved thanks to the coupled modes theory extended to four modes that this large angular tolerance is due to an additional coupling that did not occur in infinite gratings.With an approach based on the Fabry-Perot cavity, we confirmed that the CRIGF behaves as a lossy Fabry-Perot cavity, which allowed us to define simple design rules such as the control of the spectral width and tuning the centering wavelength.