Silicon Photonics has been a major success story in the last decade, with many photonic devices having been successfully demonstrated. The only missing component is the light source, however, as making an efficient light source in silicon is challenging due to the material's indirect bandgap. The development of a silicon light source would enable us to make an all-silicon chip, which would find many practical applications. The most notable among these applications are on-chip communications and sensing applications. In this PhD project, I have worked on enhancing silicon light emission by combining material processing and device engineering methods. Regarding materials processing, the emission level was increased by taking three routes. In all the three cases the emission was further enhanced by coupling it with a photonic crystal (PhC) cavity via Purcell effect. The three different approaches taken in this PhD project are listed below. 1. The first approach involves incorporation of optically active defects into the silicon lattice by hydrogen plasma treatment or ion implantation. This process results in broad luminescence bands centered at 1300 and 1500 nm. By coupling these emission bands with the photonic crystal cavity, I was able to demonstrate a narrowband silicon light emitting diode at room temperature. This silicon nano light emitting diode has a tunable emission line in the 1300-1600 nm range. 2. In the second approach, a narrow emission line at 1.28µm was created by carbon ion implantation, termed “G-line” emission. The possibility of enhancing the emission intensity of this line via the Purcell effect was investigated, but only with limited success. Different proposals for future work are presented in this regard. 3. The third approach is deposition of a thin film of an erbium disilicate on top of a PhC cavity. The erbium emission is enhanced by the PhC cavity. Using this method, an optically pumped light source emitting at 1.54 µm and operating at room temperature is demonstrated. A practical application of silicon light source developed in this project in gas sensing is also demonstrated. As a first step, I show refractive index sensing, which is a simple application for our source and demonstrates its capabilities, especially relating to the lack of fiber coupling schemes. I also discuss several proposals for extending applications into on-chip biological sensing.

Nanoplasmonics has provided a way to control light with extremely high precision, into nanoscale volumes. In many circumstances, the nanoplasmonic devices which can be realised are fabricated using processing techniques which rely on planar technologies. This thesis provides a general method to make nanoplasmonic devices on a flexible membrane structure, which can be free standing, extremely thin (less than the wavelength of visible light), but retains the ability to be manipulated without loss of optical function. These devices are very pliant and conformable. Flexibility allows the integration of nanoplasmonic devices into many new applications where curved surfaces or the ability to conform to another object is required, as well as providing a route for post-fabrication tunability. Two specific applications are considered: lab-on-fibre technology and surface enhanced Raman spectroscopy. Lab-on-fibre technologies have been advancing the ability to miniaturise experiments which would normally require a whole laboratory. Fabricating a membrane and then later applying it to the fibre decouples the choice of fibre from the design of the device. Surface enhanced Raman spectroscopy is a powerful diagnostic tool which can uniquely identify an optical fingerprint of different molecules. The technique has been held back from widespread clinical adoption because of the difficulty of reproducibility of the substrates used. A repeatable and reliable rigid substrate is demonstrated, which can identify the concentration of a three component mixture of physiologically relevant biomolecules. This same design is then shown in a flexible form factor, which is applied to a non-planar landscape where it can identify the locations where a molecule of interest has been deposited. This thesis details the development of the fabrication protocol, the construction of experimental apparatus for characterisation, and the use of numerical modelling to advance the flexible nanoplasmonic membrane platform.

La thérapie photodynamique est fondée sur l’activation sélective par la lumière de médicaments appelés photosensibilisateurs. Non toxique en l’absence d’excitation lumineuse, le photosensibilisateur est capable, une fois excité, de transférer son énergie pour former de l’oxygène singulet qui induit la mort de la cellule. L’utilisation d’une excitation biphotonique offre de nouvelles perspectives pour la thérapie photodynamique du cancer. En effet, la dépendance quadratique de l’absorption à deux photons (ADP) avec l’intensité du laser permet une très grande sélectivité spatiale, ce qui rend possible un traitement plus sélectif des tumeurs, et la lumière infra-rouge utilisée permet le traitement de tumeurs plus profondes. Dans ce travail, nous avons développé une famille de nano-objets tout organiques pour la thérapie photodynamique biphotonique. Ils présentent des sections efficaces d’ADP très élevées dans la gamme spectrale d’intérêt biologique et leur efficacité a été démontrée in vitro. / Photodynamic therapy is based on the selective activation by light of drugs called photosensitizers. Non-toxic in the absence of excitation light, the photosensitizer is able, upon excitation, to transfer energy to produce singlet oxygen, which induces cell death. Two-photon excitation offers new perspectives for photodynamic therapy of cancer. Indeed, the quadratic dependence of two-photon absorption (TPA) with the laser intensity allows high spatial selectivity, which enables a more selective treatment of tumors, and the use of infrared light allows treatment of deeper tumors. In this work, we have developed a family of fully organic nano-objects for two-photon photodynamic therapy. They exhibit very high TPA cross-sections in the biological spectral range of interest and their efficiency has been demonstrated in vitro.

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels qui possèdent de nouvelles propriétés optiques grâce à leur structuration à l’échelle nanométrique. Un des principaux axes de recherche dans le domaine des métamatériaux s’intéresse aux indices de réfraction négatifs qui permettent la réalisation de lentilles « parfaites » ainsi que d’autres applications excitantes. Dans cette thèse, nous étudions théoriquement les propriétés de métamatériaux optiques de type « fishnet », en particulier l’origine de leur indice de réfraction négatif, ainsi que d’autres problèmes théoriques associés. La thèse peut être divisée en quatre parties.Dans la première partie, nous étudions la diffusion de la lumière à l’interface entre l’air et un métamatériau fishnet semi-infini. A l’aide d’une méthode numérique vectorielle, nous calculons les coefficients de diffusion de l’interface et nous démontrons que le transport de l’énergie est dû à un seul mode de Bloch, le mode fondamental du fishnet. Puis, en s’appuyant sur les coefficients de diffusion de l’interface et sur l’indice effectif de ce mode de Bloch, nous proposons un nouvel algorithme d’extraction des paramètres effectifs du métamatériau. Notre approche met l’accent sur le rôle clé joué par le mode de Bloch fondamental et elle permet d’extraire des paramètres effectifs plus stables que ceux obtenus avec les méthodes classiques basées sur le calcul de la réflexion et la transmission d’une couche de métamatériau d’épaisseur finie. Dans la deuxième partie, nous dérivons grâce à l’orthogonalité des modes de Bloch des expressions analytiques pour les coefficients de diffusion à l’interface entre deux milieux périodiques de périodes légèrement différentes. Nous montrons que les expressions analytiques permettent d’obtenir des résultats très précis pour différentes géométries allant de guides d’onde périodiques diélectriques à des métamatériaux métalliques. Ces expressions analytiques constituent donc un outil utile pour la conception et l’ingénierie de structures photoniques périodiques.Le mode de Bloch fondamental est central pour expliquer le phénomène de réfraction négative dans les métamatériaux fishnet. Dans la troisième partie, nous avons développé un modèle semi-analytique pour la constante de propagation complexe du mode de Bloch fondamental du fishnet. Le modèle est basé sur une analyse fine de la propagation et de la diffusion de la lumière à l’intérieur de la structure. Le modèle montre que l’origine des valeurs négatives de l’indice de réfraction sur une large bande spectrale peut être essentiellement comprise comme le résultat d’une résonance plasmonique dans les canaux transverses métal-insolant-métal du fishnet. La résonance plasmonique exalte la réponse « magnétique » du fishnet et les pertes associées à cette résonance peuvent être compensées en incluant du gain dans les couches diélectriques. En outre, le modèle simplifie l’ingénierie des paramètres géométriques des métamatériaux fishnet. C’est la résonance plasmonique dans des structures de type métal-isolant-métal (MIM) qui induit l’indice de réfraction négatif dans les métamatériaux de type fishnet. Dans la dernière partie, nous étudions le comportement asymptotique de nanorésonateurs MIM lorsque leur taille est réduite sous la limite de diffraction. En particulier, nous montrons que le facteur de qualité augmente d’un ordre de grandeur quand le volume du résonateur passe de (λ/2n)3 à (λ/50)3. Une étude complète est réalisée avec un modèle Fabry-Perot semi-analytique. Le modèle reste précis sur toute la gamme de tailles étudiées, même dans le régime quasi-statique où des effets de retard ne sont pas attendus. Ce résultat important et contre-intuitif indique que les résonances plasmoniques localisées dans des nanoparticules peuvent être comprises de la même manière que les résonances délocalisées dans des nanofils métalliques, c’est-à-dire comme des problèmes d’antennes basés sur des effets de retard. / Optical metamaterials are artificial media that exhibit new properties from structuring on the nanometric scale. One of the main researches in metamaterials investigates materials with negative refractive index, which can allow the development of perfect lens and other exciting potential applications. In this thesis, we theoretically study the properties of negative-index optical fishnet metamaterials, especially the origin of their negative-valued refractive index, and also associated theoretical problems. The thesis can be divided into 4 parts. In the first part we study the light scattering at an interface between air and a semi-infinite fishnet metamaterial. With a fully-vectorial numerical method, we calculate the scattering coefficients of the interface and find that the energy transport inside the fishnet is due to a single Bloch mode, the fundamental one. Based on the single-interface scattering coefficients and the effective index of this Bloch mode we propose a new algorithm for retrieving effective optical parameters of the metamaterial. The approach emphasizes the key role played by the fundamental Bloch mode and provides retrieved parameters that are more accurate or stable than those obtained by classical methods based only on light reflection and transmission through finite-thickness metamaterial slabs. Due to the importance of the fundamental Bloch mode in the light transport in metamaterials, in the second part, based on the Bloch mode orthogonality we derive closed-form expressions for the scattering coefficients at an interface between two periodic media with slightly different geometrical parameters, which is a computationally demanding electromagnetic problem. We show that the analytical expressions are very accurate for various geometries, including dielectric waveguides and metallic metamaterials. Thus they can be useful for designing and engineering stacks of periodic structures. As shown in the first part, the fundamental Bloch mode is central to explain the negative refraction phenomenon in fishnet metamaterials. In the third part, we derive an accurate semi-analytical model for the complex propagation constant of the fishnet fundamental Bloch mode. This is achieved by analyzing light propagation and scattering inside the fishnet. The model shows that the origin of broad-band negative index of fishnets can be mainly understood as a plasmon resonance in the transversal metal-insulator-metal (MIM) channels. The plasmon resonance enhances the ‘magnetic’ response of fishnet and the losses associated to this resonance can be compensated by including gain in the dielectric layers of the fishnet. Furthermore, the model allows an easy and precise geometrical tailoring of fishnet metamaterials. As shown in the third part, it is the plasmon resonance in metal-insulator-metal (MIM) structures that induces the negative index of fishnet metamaterials. In the last part, we study the asymptotic behavior of 3D MIM nanoresonators, as the resonator size is shrunk below the diffraction limit. In particular we show that the quality factor increases from 10 to 100 when the resonator volume is scaled down from (λ/2n)3 to (λ/50)3. We provide a comprehensive study with a semi-analytical Fabry-Perot model. The model remains accurate over the whole size scale even in the quasi-static regime for which retardation effects are not expected. This important and counterintuitive result indicates that both localized plasmon resonances in nanoparticles and delocalized resonance in elongated plasmonic nanowires can be possibly understood as a wave-retardation based antenna problem.

Contrôler la lumière avec de la lumière au niveau du photon unique est un objectif fondamental dans le domaine de l'information quantique, ou de l'ordinateur optique à très basse puissance. Un émetteur quantique constitué d'un unique système à deux niveaux est un milieu très non-linéaire, pour lequel l'interaction avec un photon peut modifier la transmission d'un photon suivant. Dans ce scenario, le défi pour obtenir une telle non-linéarité géante est d'optimiser l'interaction lumière matière. Une solution à ce défi est d’insérer l'émetteur quantique dans une structure photonique. Ce système est appelé « atome uni-dimensionnel » : la collection de la lumière, tout comme la probabilité d'absorber un photon se propageant dans la structure est maximum.Dans ce travail, nous avons utilisé ce type de système pour réaliser une non-linéarité géante à deux modes, dans laquelle la réflexion d'un des modes est contrôlée par un autre mode au niveau du photon unique. Le système est constitué d'une boite quantique semi-conductrice InAs/GaAs, qui peut être considéré comme un atome artificiel, insérée dans un fil photonique en GaAs opérant comme un guide d'onde. Le fil photonique définit un mode spatial unique autour de l'émetteur et offre une interaction lumière-matière avec une efficacité quasi-idéale. De plus, ce fil photonique présente cette propriété sur une large bande spectrale. Grâce à ces deux propriétés, nous avons démontré expérimentalement une non-linéarité géante à un mode et à deux modes à un niveau de quelques dizaines de photons par durée de vie de l'émetteur. Cela permet de réaliser un interrupteur tout optique intégré, à très faible seuil. / Controlling light by light at the single photon level is a fundamental quest in the field of quantum computing, quantum information science and classical ultra-low power optical computing. A quantum light emitter made of a single two-level system is a highly non-linear medium, where the interaction of one photon with the medium can modify the transmission of another incoming photon. In this scenario, the most challenging issue to obtain a giant optical non-linearity is to optimize photon-emitter interaction. This issue can be overcome by inserting the quantum emitter inside a photonic structure. This system is known as “one-dimensional atom”: the light collection efficiency as well as the probability for an emitter to absorb a photon fed into the structure is maximum. In this study, we aim at using such kind of system to experimentally realize a two-mode giant non-linearity, in which the reflection of one light mode is controlled by another light mode at the single-photon level. The system consists of a semiconductor InAs/GaAs quantum dot, which can be considered as an artificial atom, embedded inside a GaAs photonic wire, which is an optical waveguide. The photonic wire defines a single spatial mode around the emitter and offers a close to unity light-emitter interaction efficiency. In addition, the photonic wire also possesses a spectrally broadband operation range. Thanks to these two excellent features of the system, we experimentally demonstrate in this thesis a single-mode and a two-mode giant non-linearity obtained at the level of just a few tens of photons per emitter lifetime. This realizes an integrated ultra-low power all-optical switch.

Les propriétés intrinsèques extraordinaires de ces matériaux de faible dimension dépendent fortement de l'environnement auquel ils sont soumis. Par conséquent, ils doivent être préparés, traités et caractérisés sans défauts. Dans cette thèse, je discute de la manière de contrôler l'environnement des nanomatériaux de faible dimension tels que le graphène, le MoS$_{2}$ et les nanotubes de carbone afin de préserver leurs propriétés physiques intrinsèques. De nouvelles solutions pour l'amélioration des propriétés sont discutées en profondeur. Dans la première partie, nous fabriquons des dispositifs d'hétérostructure à base de graphène de Van der Waals (VdW) de dernière génération, en contact avec les bords, encapsulés dans du nitrure de bore hexagonal (hBN), afin d'obtenir un transport balistique. Nous utilisons une technique basée sur des mesures de bruit 1 / f pour sonder le transport de masse et de bord lors de régimes Quantum Hall entiers et fractionnaires. Dans la deuxième partie, le même concept de fabrication des hétérostructures VdW a été étendu pour encapsuler la couche monocouche MoS $_{2}$ dans le hBN afin d'en modifier les propriétés optiques. À cet égard, nous présentons une étude approfondie sur l'origine et la caractérisation des défauts intrinsèques et extrinsèques et leur incidence sur les propriétés optiques. En outre, nous décrivons une technique pour sonder le couplage entre couches ainsi que la génération de lumière avec une résolution spatiale inférieure à la limite de diffraction de la lumière. Enfin, nous discutons d'un processus systémique naturel visant à améliorer les propriétés mécaniques de la soie polymérique naturelle à l'aide d'une nanotubes de carbone à paroi unique fabriqués par HipCO comme aliment pour le ver à soie. / The extraordinary intrinsic properties of low dimensional materials depend highly on the environment they are subjected to. Hence they need to be prepared, processed and characterized without defects. In this thesis, I discuss about how to control the environment of low dimensional nanomaterials such as graphene, MoS2 and carbon nanotubes to preserve their intrinsic physical properties. Novel solutions for property enhancements are discussed in depth. In the first part, we fabricate state-of-the-art, edge-contacted, graphene Van der Waals(VdW) heterostructuredevices encapsulated in hexagonal-boron nitride(hBN), to obtain ballistic transport. We use a technique based on 1/f-noise measurements to probe bulk and edge transport during integer and fractional Quantum Hall regimes. In the second part, the same fabrication concept of VdW heterostructures has been extended to encapsulate monolayer MoS2 in hBN to improve optical properties. In this regard we present an extensive study about the origin and characterization of intrinsic and extrinsic defects and their affect on optical properties. Further, we describe a technique to probe the interlayer coupling along with the generation of light with spatialresolution below the diffraction limit of light. Finally, we discuss a natural systemic process to enhance the mechanical properties of natural polymer silk using HipCO-made single walled carbon nanotubes as a food for silkworm.

Graphene has emerged as an appealing material for a variety of optoelectronic applications due to its unique electrical and optical characteristics. In this thesis, I will present recent advances in integrating graphene and graphene-boron nitride (BN) heterostructures with confined optical architectures, e.g. planar photonic crystal (PPC) nanocavities and silicon channel waveguides, to make this otherwise weakly absorbing material optically opaque. Based on these integrations, I will further demonstrate the resulting chip-integrated optoelectronic devices for optical interconnects. After transferring a layer of graphene onto PPC nanocavities, spectral selectivity at the resonance frequency and orders-of-magnitude enhancement of optical coupling with graphene have been observed in infrared spectrum. By applying electrostatic potential to graphene, electro-optic modulation of the cavity reflection is possible with contrast in excess of 10 dB. And furthermore, a novel and complex modulator device structure based on the cavity-coupled and BN-encapsulated dual-layer graphene capacitor is demonstrated to operate at a speed of 1.2 GHz. On the other hand, an enhanced broad-spectrum light-graphene interaction coupled with silicon channel waveguides is also demonstrated with ∼0.1 dB/μm transmission attenuation due to graphene absorption. A waveguide-integrated graphene photodetector is fabricated and shown 0.1 A/W photoresponsivity and 20 GHz operation speed. An improved version of a similar photodetector using graphene-BN heterostructure exhibits 0.36 A/W photoresponsivity and 42 GHz response speed. The integration of graphene and graphene-BN heterostructures with nanophotonic architectures promises a new generation of compact, energy-efficient, high-speed optoelectronic device concepts for on-chip optical communications that are not yet feasible or very difficult to realize using traditional bulk semiconductors.

<div>Miniaturization of optical components with low power consumption fabricated using a CMOS foundry process can pave the way for dense photonic integrated circuits and on-chip quantum information processing. Optical waveguides, modulators/switches, and single-photon detectors are the key components in any photonic circuits, and miniaturizing them is challenging. This requires strong control of evanescent waves to reduce the cross-talk and bending loss as well as low mode volumes to increase light-matter interaction.</div><div><br></div><div><div>In this thesis, we propose a paradigm shift in light connement strategy using transparent all-dielectric metamaterials. Our approach relies on controlling the optical</div><div>momentum of evanescent waves, an important electromagnetic property overlooked in photonic devices. For practical applications, we experimentally demonstrate</div><div>photonic skin-depth engineering on a silicon chip to conne light and to reduce the cross-talk and bending loss in a dense photonic integrated circuit.</div></div><div><br></div><div><div>We demonstrate that due to the strong light connement in the proposed waveguides, it is possible to miniaturize and integrate superconducting nanowire singlephoton detectors (SNSPDs) into a silicon chip. The timing jitter and dark-count</div><div>rate in these miniaturized SNSPDs can be considerably reduced. Here, we propose a theoretical model to understand the fundamental limits of these nanoscale SNSPDs and the trade-off between timing jitter, dark-count, and quantum effciency in these detectors. We propose experimental tests to verify the validity of our model.</div></div><div><br></div><div><div>Switching/modulating cavity Purcell factor on-chip is challenging, so we have proposed a nonlinear approach to switch Purcell factors in epsilon near zero (ENZ) materials. We demonstrate fourfold change in the Purcell factor with a switching time of 50 fs. The work in this thesis can lead to a unique platform for on-chip quantum nanophotonics.</div></div>

L’objet de cette étude concerne l’exploration, à la fois sur le plan théorique et expérimental, de la possibilité d’utilisation des métamatériaux pour des applications dans le domaine de la photonique aux longueurs d’onde télécoms (λ=1.5µm). L’un des principaux objectifs adressés dans le cadre de la thèse est de réaliser l’ingénierie de l’indice effectif en utilisant des résonances des plasmons de surface localisés des métamatériaux métallo-diélectriques. Deux cas particulièrement importants du point de vue de la réalisation technologique sont considérés :• Propagation en espace libre quand une onde lumineuse sous incidence normale ou oblique interagit avec une surface diélectrique recouverte d’une monocouche de métamatériaux.• Propagation dans une configuration guide d’onde avec une monocouche de métamatériaux à la surface d’un guide d’onde en Silicium.Les résultats des modélisations et des mesures expérimentales montrent que les propriétés optiques d’une mono-couche de métamatériau peuvent être décrites par celle d’une couche homogène avec un certain indice effectif. L’épaisseur de cette couche est égale à celle des motifs métalliques, à condition qu’elle soit inférieure à quelques dizaines de nm. Pour des faibles facteurs de remplissage en surface, l’indice de réfraction d’une telle couche suit l’approximation de Maxwell-Garnett. Cet indice effectif ne dépend pas de l’angle d’incidence ni de l’orientation de la polarisation de la lumière (perpendiculaire ou dans le plan d’incidence). Au voisinage de la fréquence de résonance pour un facteur de remplissage de métamatériau de 20% en surface on obtient un indice de réfraction très élevé : neff=10. Cet indice de réfraction est plusieurs fois supérieur à celui qu’on trouve dans des matériaux naturels. L’adaptation de cette approche à configuration guidée à utiliser une structure hybride composée d’une couche de métamatériau à la surface d’un guide d’onde en Silicium. Les travaux réalisés ont permis de démontrer la possibilité d’effectuer l’ingénierie de l’indice effectif et de contrôler le niveau des pertes d’un tel guide d’onde hybride en utilisant des métamatériau métallo-diélectriques à base des fils d’Au de 200X50X50nm. Le contraste d’indice au voisinage de la ligne de la résonance donné par des modélisations et confirmé expérimentalement est de ±1.5, soit plus que ce que l’on peut obtenir avec un guide Silicium gravé. Ce résultat représente une première démonstration sur le plan international de fonctionnement des métamatériaux en configuration guidée.De plus, en contrôlant l’orientation des motifs de métamatériaux, on peut réaliser un indice anisotrope. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives très prometteuses pour la réalisation de dispositifs en optique guidée utilisant les transformations d’espace. / The subject of the PhD thesis deals with metamaterials for photonic applications. The main objective is to investigate the potential of metallic metamaterials for building optical functions at NIR optical frequencies. A significant part of the work is focused on the engineering of the metamaterials effective index associated with localized plasmon resonances. Two configurations of particular importance for fabrication technology are considered:• Free space light propagation, with the incident electromagnetic wave interacting with single metafilms at either normal or oblique incidence. • Guided wave configuration, with single metamaterial layer placed on top of dielectric waveguide.For the free space configuration, the validity of the effective medium approach was investigated both numerically and experimentally with the example of metamaterials composed of either gold cut wires or split ring resonators and continuous wires on silicon substrate. On the basis of these examples it was shown that the metafilm behavior is indeed analogous to that of a homogeneous layer. The thickness of this layer is that of the deposited metal. The validity of this conclusion was verified with respect to a number of criteria consistent with the Maxwell-Garnett approximation. It was shown in particular that near the resonance frequency the effective index of the metafilm layer can reach very high values neff=10 that cannot be attained with natural materials.The effective medium approach developed for a single metamaterial layer in free space configuration was further extended to a guided wave configuration. The objective is to achieve an efficient control over the flow of light in the waveguide using effective index variations induced by metamatarial resonances. The possibility of achieving a significant effective index variation with a silicon slab waveguide covered by 200X50X50nm cut wires was investigated by numerical modeling and confirmed by experimental results. The magnitude of local index variation in the vicinity of the resonance frequency deduced from experimental data is as high as ±1.5. The possibility for controlling the local effective index at the nanoscale can be used in transformation optics applications. The hybrid metamaterial guided wave configuration may become a promising alternative to the bulk multi-layers metamaterial structures in the near infrared domain.

La nanophotonique non-linéaire offre une opportunité unique pour ouvrir de nouvelles voies vers des applications dans les détecteurs, les ordinateurs et la cryptographie quantique. Cependant, la faiblesse intrinsèque de la réponse non-linéaire des milieux de taille inférieure au micromètres limite fortement l’efficacité des sources optique à cette échelle. Combiner l'exaltation du champ électromagnétique dans les métaux (appelée résonance plasmonique) et l'efficacité non-linéaire de nanocristaux non-centosymétriques apparait extrêmement souhaitable et constitue le cœur de ce projet. Dans ce cadre, le travail présenté dans cette thèse consiste en une approche numérique quantitative des processus linéaires et non-linéaires (génération de second harmonique et de paires de photons) mis en jeu dans les nanostructures hybrides afin de pouvoir « accorder » les résonances plasmoniques et optimiser le couplage lumière-matière. L’étude menée prédit une exaltation par plusieurs ordres de grandeur des processus non linéaires modélisés au sein de particules composites. / Nonlinear nanophotonics offers a unique opportunity to open new path toward a wide range of pratical applications in sensors, quantum computers, cryptography devices. The main challenge is to enhance nonlinear response of nanosized particles in order to integrate them in optical components. On this purpose, we want to combine the electromagnetic field enhancement in metals (due to a phenomenon called plasmonic resonances) with non linear efficiency of non centrosymmetric nanocrystals.In this thesis, we present a numerical approach for simulating linear and non linear optical processes (second harmonic generation and spontaneous numerical down conversion) in hybrid nanostructures in order to “ tune “ plasmonic resonances and optimize light/matter coupling. The study predicts an enhancement by several orders of magnitude of the non linear phenomena modeled in composite nano particles.