La miniaturisation est l’objectif actuel de tous les fabricants de composants radio-fréquence depuis plusieursdécennies. Si les composants actifs pour la microélectronique sont fondés sur la structuration de plaquesde silicium, les composants passifs reposent sur l’utilisation de cristaux tels que le quartz ou le niobate delithium. Ce dernier est particulièrement utilisé quand il s’agit de générer et exploiter des ondes élastiques, ainsique pour le guidage de faisceaux lumineux afin de réaliser des filtres ou des capteurs sensibles à différentsparamètres environnementaux. L’amélioration du guidage de ces ondes permet un gain en consommation et encompacité des dispositifs mais nécessite une structuration de la matière souvent tridimensionnelle. Cette étapetechnologique clé est industriellement mature pour la mise en forme du silicium, mais s’avère di_cilementtransposable à des matériaux tels que le quartz ou le niobate de lithium. Les travaux présentés dans cemanuscrit visent à réaliser des structures tridimensionnelles à hauts facteurs de forme dans des matériauxmonocristallins à l’aide d’une scie circulaire de précision. Des structures utilisant l’inversion périodique dedomaine ferroélectrique seront réalisées afin de les utiliser pour y guider des ondes élastiques possédant descouplages électromécaniques particulièrement élevées. Le guidage d’ondes optiques par le biais de ces mêmesstructures permet une amélioration du confinement par rapport aux systèmes de guidage massifs classiquescouramment utilisés pour la réalisation de filtre ou de modulateur électro-optiques. En utilisant conjointementle guidage d’ondes optiques et les domaines ferroélectriques alternés, les structures ainsi découpées permettentl’apparition de phénomènes optiques non-linéaires exaltés par l’amélioration du confinement. Ces structuresont ainsi montré leur intérêt dans plusieurs domaines de la physique avec un champ applicatif particulièrementvaste / Over the past decades, minutiarization and compacity have become a focus subject for companies specialisedin the manufacturing of radio-frequency components. Active components are typically manuafctured onsilicon wafers with well-known structuring methods. Passive ones are often manufactured on single cristalsuch as Quartz or Lithium Niobate, especially for acoustic wave generation or lightwave guiding. Theguiding of optical or acoustical waves leads to the manufacturing of sensors or filters which can be usedfor telecommunications or for the industry. Improvement in waveguiding allows for less power-consuming andmore compact devices but a 3D-structuring is usually required. This technology readness is high leveled forsilicon structuring but not for single crystals such as Lithium Niobate. This work presents the development andthe manufacturing of high aspect ratio three-dimensionnal structures in single-crystals using precise sawing.These structures show an optical waveguiding capability which allow the improvements of electro-opticmodulators or filters. Combined with a periodic reversing of Lithium Niobate polarization, these structuresallows for bulk acoustic wave generation leading to high electromechanical coupling and equivalent phasevelocity resonant modes. In non-linear optic field, this kind of structures lead to the improvement of secondharmonic generation e_ciency by reducing the cross section of waveguide. The manufactured devices in theframework of this project can actuelly be used in several domains of physic.

Oxide related research has increased as standard oxides reach their operational limits and new classes of devices are imagined that can only be realized through the use of man-made compounds. Many of these devices require high quality films in order to reach their highest potential. Molecular beam epitaxy (MBE) is poised to become a key producer of high quality oxides. One of the most promising oxides is lithium niobate, LiNbO3, which can potentially deliver novel electronic, optic, and hybrid devices not currently possible. Growing lithium niobate using MBE is difficult. Several concepts are presented that will make this task easier. First, high temperature refractory metals can be delivered to the substrate through a novel use of low temperature chloride compounds such as niobium (V) chloride. This chloride chemistry allows low temperature sources to deliver high temperature materials to the substrate. Second, a precision, vapor-phase source and control system is prototyped for these chloride compounds achieving improved flux accuracy and expanding the capability of standard MBEs to support many sources. Chloride sources have high vapor pressures and are sensitive to temperature changes causing flux drift. The vapor-phase source removes the temperature sensitivity and eliminates thermal drifts. Third, a novel method of measuring flux with spontaneous ionzation current has been developed. This design utilizes a low noise design to measure femtoamp currents generated as an evaporant spontaneously ionizes. The measured current with additional predicted data has the potential for directly counting the atoms evaporated and controlling evaporation from a source. The design is sensitive enough to detect outgassing of the cell and cell "spitting" or other non-idealities. Monitoring these non-idealities can help improve other processes by ensuring the cell is fully outgassed and stable. Finally, a miniaturized RF induction cell prototype is shown that can eliminate the need for incandescent filaments in an oxide based MBE. The RF cell has the potential to increase reliability of MBEs for oxide work and achieve higher operating temperatures without the need for densely wound incandescent filaments or electron beam sources.

Cette thèse a pour but de développer de nouveaux procédés de fabrication dansle cadre de la réalisation de composants électro-optiques basés sur l’utilisation dematériaux à coefficients géants.A travers le développement de procédés de mises en forme inovants, différentsaspects théoriques et expérimentaux ont été abordés notamment avec la mise enplace d’un procédé de repolarisation dédié au Niobate de Strontium Baryum. / The objective of this thesis is to develop new manufacturing processes within theframework of the realization of electro-optical components based on specifics materialswith giant electro-opticals coefficients.Through the development of inovative methods, various theoretical and experimentalaspects were addressed, in particular through the implementation of a repolarizationprocess dedicated to Strontium Barium Niobate

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Le niobate de lithium (LN) présente des propriétés piézo-électrique, électro-optique, optique non linéaire et photo-réfractive, qui sont riches d'applications matures (filtres acoustiques de surface, modulateurs EO, convertisseurs de fréquence) ou potentielles (mémoires holographiques, guide d'onde photo-inscrits). En utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) couplée à la méthode des ondes planes augmentées linéarisées à potentiel total (FP-LAPW) implémentée dans le code WIEN2k_12, nous avons pu investiguer - avec plus de détails - les propriétés électroniques du LN stoechiométrique (SLN) tel que la structure de bande, les densités d'états, la densité de charges électroniques, les masses effectives, les intégrales du saut Nb-Nb et O-O, ainsi que les différentes propriétés optiques déduites de la fonction diélectrique à savoir l'indice de réfraction, le coefficient d'extinction, le coefficient d'absorption... Au cours de notre étude, nous avons essayé aussi d'analyser et d'interpréter, les désaccords qui apparaissent dans les résultats de calculs ab initio d'un auteur à un autre. Ces désaccords imputables aux méthodes de calcul employées sont parfois déjà très sensibles pour le matériau SLN exempt de défauts. La valeur expérimentale de l'énergie de gap (3.78 eV) correspondante à LN quasi stoechiométrique (NSLN) - fréquemment cité dans la littérature - fut suggérée plus grandes pour le SLN d'après des études ab initio récentes. Pour cette raison, nous avons tenté de la corriger en utilisant une nouvelle approche (en se référant à la valeur d'indice de réfraction expérimental du SLN). Ainsi, nous nous proposons une nouvelle valeur théorique Eg pour le LN pur. A cet effet, une correction de certains pics d'énergie des états excités des spectres optiques a été mise en évidence / Lithium niobate (LN) has piezoelectric, electro-optics, nonlinear optical and photorefractive properties, which are rich in mature (surface acoustic filters, EO modulators, frequency converters) or potential (holographic memories, photo-induced waveguide) applications. Using the density functional theory (DFT) combined with the full potential linearized augmented plane waves (FP- LAPW) method implemented in the WIEN2k_12 code, we investigated - with more details - the electronic properties of stoichiometric LN (SLN) such as the band structure, the density of states, the charge density, the effective masses, the hopping integral for Nb-Nb and O-O, as well as different optical properties derived from the dielectric function like the refractive index, the extinction index, the absorption coefficient ...etc. In our study, we also tried to analyze and interpret some disagreements that appear in the results of ab initio calculations of an author to another. These disagreements due to the methods of calculation employed may be very sensitive for the SLN material without any defects. The experimental value of the energy band gap (3.78 eV) corresponding to LN nearly stoichiometric (NSLN) - frequently cited in the literature - was suggested to be largest for SLN according to recent ab inito studies. For this reason, we have tried to correct it by using a new approach (referring to the value of the experimental refractive index of SLN). Thus, we propose a new theoretical value Eg for pure LN and we bring correction of some energy's peaks of excited states of the optical spectra

Ces travaux de thèse visent à proposer un nouveau type de modulateur acousto-optique intégré exploitantdes ondes élastiques guidées à la surface du niobate de lithium. Ce matériau piézoélectrique permet en effet deréaliser des guides d’ondes optiques intégrés ainsi que des transducteurs à ondes élastiques efficaces. La modulationacousto-optique y reste cependant classiquement limitée par le recouvrement partiel des deux types d’ondes. J’aicherché à développer un nouveau type de guide d’ondes élastiques de surface exploitant les résonances d’épaisseurd’électrodes épaisses et permettant une meilleure exploitation de la conversion d’énergie électrique en énergieélastique dans les dispositifs intégrés.Dans un premier temps, j’ai développé un moyen de confiner l’énergie acoustique en surface afin de l’utiliserplus efficacement. Je me suis tourné vers la réalisation de transducteurs à peignes interdigités pour les ondes acoustiquesde surface permettant de confiner l’énergie qu’ils génèrent dans des électrodes à haut facteur de forme. Lacaractérisation de ces dispositifs a permis de démontrer un fort confinement de l’énergie mécanique, concomitantd’une absence de diffraction à la surface du matériau. Ces dispositifs acoustiques permettent ainsi un guidage del’énergie acoustique dans les trois dimensions de l’espace avec une largeur transverse aussi petite que la longueurd’onde.Dans un second temps, j’ai réalisé des modulateurs acousto-optiques utilisant les transducteurs précédents. Cesmodulateurs sont fondés sur un interféromètre de Mach-Zehnder dont un bras est soumis à l’interaction acoustooptique.Les expériences réalisées ont permis de montrer une modulation de l’onde optique aux fréquences de résonancedes transducteurs à haut facteur de forme. La transmission spectrale de ces interféromètres est par ailleurscannelée en raison d’une légère asymétrie des bras de l’interféromètre. Nous avons observé, à fréquence nulle, unfort décalage en longueur d’onde du spectre cannelé d’environ 20 nm. Ce décalage reste encore inexpliqué. / This thesis intended to propose a new kind of integrated acousto-optical modulator exploiting guided elasticwaves on the surface of a lithium niobate substrate. This piezoelectric material makes it possible to integrate opticalwaveguides as well as efficient elastic waves transducers. Classically, the acousto-optical modulation remainslimited by the partial overlap of the two kind of waves. I have sought to develop a new kind of surface elasticwaveguide exploiting the thickness resonances of thick electrodes allowing a better exploitation of electric energyto elastic energy conversion in integrated devices.First, I have developed a way to confine the acoustic energy at the surface to use it more efficiently. I turnedtowards the realization of interdigitated transducers for surface acoustic waves allowing to confine the generatedenergy in the high aspect ratio electrodes. The characterization of such devices allowed to demonstrate a strongconfinement of the mechanical energy at the surface of the material. These acoustic devices allowed for diffractionlessguiding of the acoustic energy in the three dimensions of space over a transverse width as small as thewavelength.The second part of this thesis was dedicated to the realization of acousto-optical modulators using the previoustransducers. These modulators are based on a Mach-Zehnder interferometer including one arm subjectd to theacousto-optical intercation. Due to a slight asymmetry of the interferometer arms, the spectrale transmission with awhite light source gives a channeled spectrum. Experiments have shown an optical wave modulation at resonancesfrequencies of the high aspect ratio transducers. We have observed, at zero frequency, a strong wavelength shift ofchanneled spectrum of about 20 nm. This shift remains unexplained.

Dans ce travail, nous présentons la réalisation de composants originaux d’optique guidéeutilisant une technique de fabrication basée sur l'autofocalisation d’un faisceau lumineux.Cette technique permet la photo-induction de guides d’onde optiques au coeur de cristauxde LiNbO3 par effet photoréfractif.En premier lieu, des guides adiabatiques ont été générés dans des cristaux de LiNbO3 enappliquant un gradient de température selon l’axe de propagation lors de l’étaped’induction. Ces résultats expérimentaux ont été appuyés par un modèle numérique 3-Dprenant en compte la dynamique de l'effet photoréfractif.Dans un deuxième temps, nous avons démontré que la présence d’un micro-canal présentsur le trajet d’un faisceau ne perturbe pas son autofocalisation. Cette configuration a permisde fabriquer un capteur optofluidique qui permet de mesurer l'indice de réfraction d’unliquide présent dans le canal sur une plage de mesure de 1.2 à 1.8 avec une précision de4x10-3. Enfin, cette étude a été étendue à des faisceaux sous forts angles d’incidence avec lecanal ce qui a été exploité pour induire un séparateur de polarisation en optique guidée. Ceséparateur, fabriqué en une seule étape d’induction, est constitué d’un guide d’entrée seséparant en deux guides de sortie supportant des composantes croisées de polarisation. / In this work, we present the fabrication of innovative guided optics components using asimple and efficient method based on self-trapping of light beams. This technique leads tothe formation of optical waveguides inside LiNbO3 crystals by photorefractive effect.The generation of adiabatic waveguides is first achieved by applying a temperature gradientalong the propagation axis. These experimental results have been confirmed by a 3-Dnumerical model taking into account the photorefractive dynamic.Subsequently, we have shown that the presence of a micro-channel forming a gap on thebeam trajectory does not affect the self-trapping effect. This configuration has been used tofabricate an optofluidic sensor able to measure the refractive index of liquids present in thechannel with a measuring range between 1.2 and 1.8 and a resolution of 4x10-3. Finally, thisstudy has been extended to self-trapped beams at large angle of incidence with the channelwhich has been exploited to fabricate a guided polarization separator. This polarizationseparator is formed of one input waveguide that separates into two output waveguidessupporting crossed polarizations components.

Cette thèse est consacrée au développement de dispositifs accordables sur la base de cristaux photoniques unidimensionnels qui peuvent supporter des ondes de surface de Bloch (BSW). Tout d'abord, nous explorons les possibilités de contrôler la direction de propagation des BSW par le biais de la polarisation de la lumière incidente. Dans ce cas, nous gravons sur le dessus du cristal photonique 1D des structures passives de type réseau, qui permettent à la fois de coupler la lumière incidente aux BSWs et de se comporter comme une lame séparatrice ultracompacte contrôlée par la polarisation lumineuse. Nous avons testé ce type de coupleur sur des cristaux photoniques 1D fonctionnant dans l’air et dans l’eau. Ensuite, nous démontrons l'accordabilité des BSWs en ajoutant une fine couche active dans la structure photonique multicouche. Il s’agit d’un film mince de niobate de lithium monocristallin qui permet d’introduire des propriétés anisotropes dans le cristal photonique 1D. Différentes façons de fabriquer des cristaux photoniques 1D contenant du niobate de lithium monocristallin ont été développées dans le cadre de ce travail. Ces travaux nous ont permis d’explorer le concept de contrôle électro-optique des BSWs. / This thesis is devoted to develop tunable devices on the base of one-dimensional photonic crystals (1DPhC) which can sustain Bloch surface waves (BSWs).First, we explore the possibilities to control the BSW propagation direction with polarization of incident light. In this case we manufacture additional passive structures such as gratings on the top of the 1DPhC, which are working both as a BSW launcher and polarization–controlled “wave-splitters”. We test this type of launcher in air and in water as an external medium. Then, we demonstrate the tunability of the BSW by adding an active layers into the multilayer stack. Here a crystalline X-cut thin film lithium niobate (TFLN) is used to introduce anisotropic properties to the whole 1DPhC. Different ways to manufacture 1D PhCs with LiNbO3 on the top would be described. Finally, we explore the concept of the electro-optically tuned BSW.

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans un projet de développement d’un Lab-On-Chip destiné à la biodétection. Les plateformes conçues sont basées sur des circuits optiques intégrés sur niobate de lithium. La particularité de ces circuits est qu’ils intègrent le phénomène d’interférence à la fonction de guidage des ondes lumineuses.La fonction d’interférométrie est assurée grâce à une cavité Fabry-Pérot intégrée à un guide d’onde rectiligne et à une structure Mach-Zehnder. Lorsque la surface des supports de ces circuits est bio-fonctionnalisée, ces microsystèmes deviennent sensibles à des molécules cibles. Cette sensibilité se traduit par une variation de l’indice effectifde l’onde en propagation par couplage évanescent modifiant ainsi les conditions de résonance du résonateur Fabry-Pérot. Le vrai challenge de ce travail réside essentiellement dans la bio-fonctionnalisation du niobate de lithium.A notre connaissance, ce matériau favori en optique guidée grâce à ses propriétés physiques exceptionnelles n’a été que rarement sujet à des modifications chimiques de surface. L’implantation réussie de groupements fonctionnels amines à la surface de ce matériau a permis de générer un lien covalent entre ce support et les groupements fonctionnels des molécules sondes. En raison de la grande affinité entre l’avidine et la biotine, ce couple a servi de modèle pour la mise au point de ces bio-capteurs. Un suivi en temps réel des interactions à la surface était rendu possible par une expérimentation sur l’un des bio-capteurs. / The work of this thesis is part of a project of a Lab-On-Chip development intended for biosensing. The de-signed platforms are based on integrated optical circuits on lithium niobate. The peculiarity of these circuits isthat they incorporate the phenomenon of interference with the function of guiding light waves. The interferometricfunction is provided by a Fabry-Perot cavity embedded in a straight waveguide and a Mach-Zehnder structure.When the surface of these circuits substrates is biofunctionalized, these microsystems become sensitive to targetmolecules. This sensitivity results in a variation of the effective index of the propagation wave by evanescent cou-pling and modifying the resonance conditions of the Fabry-Perot resonator. The real challenge of this work liesin the biofunctionalization of lithium niobate. To our knowledge, this guided optics favorite material thanks toits exceptional physical properties has been hitherto rarely subject to chemical surface modifications. Successfulimplementation of amino functions on the surface of this material has generating a covalent bond between thissubstrate and the functional groups of the probe molecules. Due to the high affinity between avidin and biotin, thiscouple served as a model for the development of biosensors. A real-time monitoring of surface interactions wasmade possible by experimentation on one of biosensors.

La lumière est incroyable polyvalente pour mesurer toutes sortes de grandeurs physiques : température, champ électrique, déplacement et déformation, etc. Les capteurs photoniques sont des candidats prometteurs pour les développements de nouvelles générations de capteurs en raison de leurs vertus de sensibilité élevée, une grande gamme dynamique, etc. Les capteurs intégrés et ceux placés en bout de fibre sur une couche mince de niobate de lithium seront ici étudiés en explorant l’électro-optique ainsi que les pyro-électronique afin de concevoir des capteurs de champs et de capteurs de température. / Light is incredibly versatile for measuring all kinds of physical quantities :temperature, electric field (E-field), displacement and strain etc. Photonic sensors are promising candidates for the new generation of sensors developments due to their virtues of high sensitivity, large dynamic range and compact size etc. Integrated and on-fiber end photonic sensors on thin film lithium niobate (TFLN) exploring the electro-optic (EO) and pyro-electric effects are studied in this thesis in order to design E-field sensors and temperature sensors (T-sensors). These studies aim to develop sensors with high sensitivity and compact size. To achieve that aim, sensors that are made of photonic crystals (PhC) cavities are studied by sensing the measurand through the resonance wavelength interrogation method. In integrated sensor studies, intensive numerical calculations by PWE method, mode solving technique and FDTD methods are carried out for the design of high light confinement waveguiding structures on TFLN and suitable PhC configurations. Four types of waveguide (WG) structures (ridge WG, strip loaded WG, slot WG and double slot WG) are studied with a large range of geometrical parameters. Among them, slot WG yields the highest confinement factor while strip loaded WG is an easier option for realizations. Bragg grating is designed in slot WG with an ultra compact size (about 0.5µm×0.7µm ×6µm) and is employed to design PhC cavity. A moderate resonance Q of about 300 in F-P like cavity where the mirrors are made of PhC is achieved with ER of about 70% of the transmission. Theoretical minimum E-field sensitivity of this slot Bragg grating structure can be as low as 200 µV/m. On the other hand, Si3N4 strip loaded WG is designed with 2D PhC structure and a low resonance Q of about 100 is achieved. Fabrications of nano-metrical WG such as ridge WG Si3N4 strip loaded are demonstrated. However, the realization of nanometric components on LN presents a big challenge.In the on-fiber end sensor studies, guided resonance, oftentimes referred to as Fano resonance due to its asymmetric lineshape, is studied with different PhC lattice types. A Suzuki phase lattice (SPL) PhC presenting a Fano resonance at the vicinity of 1500 nm has been studied and demonstrated as temperature sensor with sensitivity of 0.77 nm/oC with a size of only 25 µm × 24 µm. In addition, guided resonances on rectangular lattice PhC have been systematically studied through band diagram calculations, 2D-FDTD and 3D- FDTD simulations.