Ce travail porte sur l’étude d’une nouvelle technique de microscopie basée sur le phénomène d’absorption linéaire ultra-faible (LOPA) de matériaux photosensibles pour la fabrication de structures submicrométriques à deux et à trois dimensions (2D, 3D). Premièrement, nous avons étudié théoriquement la distribution de l'intensité lumineuse dans la région focale d’un objectif de microscope de grande ouverture numérique en fonction des différentes conditions de travail, telles que la propagation de la lumière dans un milieu absorbant avec variation d'indice de refraction. Nous avons démontré que lorsque l'on travaille avec un matériau quasi homogène ayant de très faible absorption à la longueur d’onde du faisceau d’excitation, le faisceau laser peut être focalisé en profondeur à l'intérieur du matériau, ce qui permet de manipuler optiquement des objets en 3D. Nous avons ensuite démontré expérimentalement l'utilisation de cette technique pour fabriquer des structures à la demande. Différentes structures 2D et 3D submicrométriques ont été crées en résine SU-8, en utilisant un laser continue de faible puissance à 532 nm. Ces résultats sont similaires à ceux obtenus par la méthode d’absorption à deux photons, mais le coût de fabrication a été énormément réduit. De plus, nous avons démontré qu'il est possible de fabriquer des structures photoniques à base de polymère contenant une seule nanoparticule (NP), en utilisant un procédé à deux étapes. En effet, nous avons d'abord déterminé avec précision la position d'une seule NP d’or, en utilisant une puissance d’excitation très faible, puis nous l'avons insérée dans une structure photonique par une puissance d’excitation plus élevée. Le couplage d'une NP d’or et d'une structure photonique à base de polymère a été ensuite étudié théoriquement et expérimentalement, montrant une amélioration importante de la collection des photons émis par la NP. / This work deals with a novel microscopy technique based on the ultra-low one-photon absorption (LOPA) mechanism of photosensitive materials for fabrication of arbitrary two- and three-dimensional (2D, 3D) submicrometer structures. First, we theoretically investigated the intensity distribution at focusing region of a high numerical aperture objective lens as a function of various working conditions, such as propagation of light mismatched refractive index and/or absorbing media. We demonstrated that when working with refractive index mismatch-free and very low absorption conditions, the light could be focused deeply inside the material, allowing a 3D optical manipulation. We then demonstrated experimentally the use of this simple technique for fabrication of desired structures. Different 2D and 3D structures, with a feature as small as 150 nm, have been created in SU-8 photoresist by using a low power and continuous-wave laser emitting at 532 nm. Furthermore, we demonstrated that it is possible to fabricate a polymer-based photonic structure containing a single nanoparticle (NP), by using a double-step method. Indeed, the LOPA microscopy allowed us first to accurately determine the location of a single gold NP and then to embed it as desired into an arbitrary SU-8 photonic structure. The coupling of a gold NP and a polymer-based photonic structure was theoretically and experimentally investigated showing a six-fold photons collection enhancement as compared to that of a NP in unpatterned film.

Mon travail de thèse présenté dans ce mémoire a démarré un nouvel axe de recherche au sein du laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, et s'inscrit dans le programme "Dispositifs pour le traitement de l'information" du Labex ACTION. Ce consortium de recherche vise l'optimisation de toutes les étapes d'un système de traitement d'information, en s'appuyant sur des matériaux nano-structurés et sur des fonctionnalités non-linéaires. Dans ce contexte, cette thèse relève de la génération de signaux optiques dans le proche infrarouge, puisque l'objectif principal est d'hybrider la photonique intégrée à l'optique des LASER en cavité fibrée. Ces LASER innovants hybridant photonique et optique fibrée offrent, de par leur conception, de nombreux avantages particulièrement recherchés dans le domaine des télécommunications, comme par exemple un taux de répétition élevé, supérieur à la centaine de gigahertz, et des impulsions ultracourtes, de l'ordre de la centaine de femtosecondes.L'élément fondamental de l'approche développée durant ma thèse réside dans l'utilisation de micro-résonateurs gravés sur puce. Le matériau constituant ces structures est le siège de phénomènes non-linéaires qu'il est possible d'exalter afin de générer de nouvelles fréquences. De plus, en insérant la microstructure dans une cavité LASER fibrée, elle peut assurer un verrouillage de mode et donc la génération d'impulsions. Le filtrage par mélange à quatre ondes est alors le mécanisme mis en jeu.Ainsi, pour mener à bien ce nouveau projet, un montage de caractérisation a été conçu. Ce dernier comporte un microscope en champ proche dans le but d'analyser le champ électromagnétique se propageant dans la structure gravée sur puce, et plus particulièrement la propagation non-linéaire des modes guidés. En outre, le développement et l'analyse de microstructures ont été réalisés afin d'optimiser les propriétés linéaires et non-linéaires souhaitées. Pour ce faire plusieurs matériaux tels que le silicium-sur-isolant, les verres de chalogénures et les nitrures de silicium ont été expérimentés au travers d'une trentaine d'échantillons.De surcroît des collaborations intra et inter-laboratoires donnent à ce sujet d'étude pluridisciplinaire une grande richesse. Elles ont permis la démonstration de LASER hybrides générant des impulsions avec un taux de répétition de 250 GHz, ainsi que d'imager par microscopie champ proche un élargissement spectral d'une octave dans un guide de nitrure de silicium replié en spirale. / My thesis work presented in this doctoral dissertation has started a new research axis within the Carnot Interdisciplinary Laboratory of Burgundy, and is part of the "Information processing devices" program of the Labex ACTION. This research consortium aims to optimize all the steps of an information processing system, using nano-structured materials and non-linear functionalities. In this context, this thesis focuses on the generation of optical signals in the near infrared, with the main objective of hybridizing integrated photonics with fiber laser cavities. These innovative hybrid LASERs offer, by design, many advantages that are particularly sought-after in the field of telecommunications, such as a high repetition rate, greater than 100 GHz, and ultra-short pulses, of the order of 100 fs.The fundamental element of the approach developed during my thesis is the use of on-chip fabricated micro-resonators. The material constituting these structures is the site of non-linear phenomena that can be exalted to generate new frequencies. In addition, by inserting the microstructure into a fiber LASER cavity, it can ensure mode locking and thus pulse generation. Filter driven-four wave mixing is then the mechanism involved.In order to successfully carry out this new project, a full characterization bench was designed. The latter includes a near-field microscope to analyze the electromagnetic field propagating in the on-chip fabricated structure, and more particularly the non-linear propagation of guided modes. In addition, the development and analysis of microstructures were carried out in order to optimize the desired linear and non-linear properties. To do this, several materials such as silicon-on-insulator, chalcogenide glasses and silicon nitrides were tested on about thirty samples.In addition, intra- and inter-laboratory collaborations give this multidisciplinary study subject a great richness. They allowed the demonstration of hybrid LASERs generating pulses with a repetition rate of 250 GHz, as well as the imaging by near-field microscopy of an octave spectral widening in a spiral-folded silicon nitride guide.

Cette thèse s’intéresse à deux aspects de la cryptologie symétrique liés à l’utilisation de matrices MDS dans les couches de diffusion linéaires de primitives. Une première partie se fonde sur les conceptions de couches de diffusion linéaires de schémas de chiffrement symétrique à partir de matrices MDS. Les associations entre matrices récursives, respectivement circulantes, et polynômes sont calquées pour construire de nouvelles associations entre d’autres structures de matrices et des éléments d’anneaux de polynômes non commutatifs de Ore. À l’instar des matrices récursives et circulantes, ces structures bénéficient d’implémentations matérielles légères. Des codes de Gabidulin dérivent des méthodes de construction directe de telles matrices, optimales en termes de diffusion, proches d’involutions pour l’implémentation. La seconde partie développe une attaque par différenciation de permutations dont l’architecture s’inspire de l’AES. L’utilisation d’une couche de diffusion linéaire locale avec une matrice MDS induit une description macroscopique de la propagation de valeurs de différences à travers les étapes du chiffrement. Des chemins différentiels tronqués apparaissent, qui servent de point de départ à la conception d’attaques rebond. Les travaux présentés généralisent les attaques rebond connues à l’exploitation de chemins différentiels tronqués structurés non issus d’avalanches libres. Cette structure permet de ne pas consommer tous les degrés de libertés au cours d’une seule étape algorithmique mais de les répartir en trois étapes. Une attaque sur 11 tours d’une permutation de Grostl-512 est alors déployée. / This thesis focuses on two aspects of symmetric cryptology related to the use of MDS matrices as building blocks of linear layers for symmetric primitives. A first part handles designs of linear layers for symmetric ciphers based upon MDS matrices. Associations between recursive, respectively circulant, matrices and polynomials are reproduced between other matrix structures and elements in non-commutative polynomial rings of Ore. As for recursive and circulant matrices, those structures come along with lightweight hardware implementations. From Gabidulin codes are derived direct constructions of MDS matrices with properties close to involution from hardware perspectives. The second part is about distinguishing attacks on an exemple of AES-like permutations. The use of some MDS matrix to build the linear layer induces a macroscopic description of differential trails through the different steps of the algorithm computing the permutation. Truncated differential path appears, from which rebound attack are built. Original work here generalizes rebound attack applied on permutations of GROSTL-512 from structured differential path not raised from free propagations of differences. This structure allows not to consume all degrees of freedom in a simple algorithmic step but to divide this comsumption into three algorithmic steps. An attack of a reduced-round version with 11 rounds of one permutation of GROSTL-512 can then be mounted.

L’industrie éolienne et l’aéronautique ont des besoins importants en matière de mesure de vent dans les premières centaines de mètres de l’atmosphère. Les lidars sont des instruments répandus et éprouvés pour ce type de mesure. Cependant, leurs qualités d’acquisition sont atténuées par un bruit de mesure systématique. En utilisant des techniques sur le filtrage nonlinéaire nous avons participé au développement d'un algorithme qui améliore l’estimation du vent et de la turbulence. Cet algorithme est basé sur une représentation de l’atmosphère par des particules fluides. Il utilise un modèle lagrangien stochastique de turbulence et un filtrage par sélection génétique. Son efficacité dépend du réglage de certains paramètres, fixés à une valeur acceptable à l’issue de la phase de développement. Mais l’influence de ces paramètres n’a jamais été étudiée. Ce travail de thèse répond à cette question par une analyse de sensibilité basée sur la décomposition de variance. De nouveaux estimateurs pour les indices de Sobol, utilisant des régression pénalisées, ont été testés. Ces estimateurs mettent les indices de Sobol les plus petits automatiquement à zéro pour faciliter l’interprétation globale. L’analyse de sensibilité permet de réduire le système à 9 entrées et 5 sorties à un système de 3 entrées (le nombre de particules, le bruit d’observation réel et le bruit d’observation donné au filtre) et 2 sorties (la pente du spectre de vent et l’erreur sur le vent). Grâce à ce système réduit, nous mettons en évidence une méthode de réglage des paramètres d’entrée les plus importants. Le bruit d’observation donné au filtre est bien réglé lorsque la pente du spectre est à la valeur cible de -5/3. Une fois ce bruit réglé, l’erreur sur le vent est minimale avec une expression connue. / Wind energy industry and airport safety are in need of atmospheric observations. Remote sensors, such as lidars, are well proven and common technology to provide wind measurements in the first hundreds of meters of altitude. However, acquisition abilities of lidars are polluted by measurement noise. Using non-linear filtering techniques, we took part at the development of an algorithm improving wind and turbulence estimations. The process is based on a representation of the atmosphere with fluid particles. It uses a stochastic Lagrangian model of turbulence and a genetic selection filtering technique. Its efficiency depends of the setting of various parameters. Their values were fixed experimentally during the development phase. But their influence has never been assessed. This work addresses this question with a variance-based sensitivity analysis. New estimators of Sobol indices, using penalized regression have been tested. These estimators ensure the lowest Sobol indices automatically go to zero so the overall interpretation is simplified. The sensitivity analysis allows to reduce the system from 5 outputs and 9 inputs to 3 inputs (number of particles, real observation noise, observation noise given to the filter) and 2 outputs (wind spectrum slope, root-mean-squared error on wind). With this reduced system we determined a procedure to correctly set the most important parameters. The observation noise given to the filter is well set when the wind spectrum slope has the expected value of -5/3. Once it is set correctly, the error on wind is minimum and its expression is known.

Dans ce travail, nous étudions l'écoulement au sein d'un canal symétrique avec une expansion et une contraction soudaines. Cette configuration peut être considérée comme constituée de deux cavités face à face, deux cavités en miroir, que nous dénommons "double cavité". Le sujet est traité expérimentalement, numériquement et analytiquement, en faisant varier la vitesse d'entrée et de la distance entre cavités, mais en restant à des nombres de Reynolds modérés. L'accent est mis sur l'interaction entre les deux couches de cisaillement et sur le mécanisme de rétroaction intracavitaire dans la limite des écoulements incompressibles. Expérimentalement, on mesure la vitesse par Vélocimétrie par Images de Particules non résolue en temps (PIV 2D2C) dans un plan longitudinal permettent de quanti er le champ de vitesse en moyenne temporelle. Par ailleurs, des mesures par Vélocimétrie Laser à effet Doppler (LDV) et des mesures résolues en temps par PIV 2D2C permettent d'accéder à la composition spectrale des fluctuations de vitesse dans la direction de l'écoulement. L'écoulement est caractérisé à partir des séries temporelles, enregistrées dans les couches de cisaillement d'une des deux cavités, pour une large gamme de vitesses d'entrée et des distances entre cavités. Des simulations numériques directes 2D et 3D, permettent d'étudier le mécanisme hydrodynamique de rétroaction intracavitaire, à partir des champs de vitesse complet. Le champ de vorticité issu des simulations numériques 2D montre l'importance de la rotation d'ensemble au sein de la cavité qui transporte les injections de vorticité induites par les oscillations de la couche de mélange conduisant à une structure de type "carrousel" elle-même à l'origine du mécanisme de rétroaction responsable des oscillations auto-entretenues de la couche de cisaillement. La quanti cation des temps caractéristiques de cette rotation permet d'identifier le régime dans lequel se trouve l'écoulement. Une analyse de stabilité en temps seul, ainsi qu'en temps et espace est réalisée pour des écoulements non visqueux, en prenant un écoulement de base unidimensionnel pour chacun des cas: cavité simple ou double. Pour prendre en compte l'extension finie du système, dans le cas de l'analyse de stabilité linéaire spatio-temporel, on ajoute la condition dite de Kulikowskii, qui permet de prendre en compte la réflexion des ondes d'instabilité hydrodynamique aux bornes du domaine de la cavité. Ce mécanisme de rétroaction produit un ensemble discret de fréquences non-harmoniques, dont certaines correspondent effectivement aux données expérimentales. / This work investigates the flow in a symmetric channel with a sudden expansion and contraction, creating two facing cavities, a so called double cavity. Double cavity flow at moderate Reynolds numbers is studied experimentally, numerically and analytically, as the inflow velocity and the distance between the cavities are varied. The focus is put on the interaction of the two shear layers and the intracavitary hydrodynamic feedback in the incompressible limit.Experimentally, standard 2D2C particle image velocimetry (PIV) measurements in a given spanwise plane provide information on the instantaneous and mean velocity flow fields. Laser Doppler velocimetry and time resolved 2D2C PIV measurements reveal the richness of the streamwise fluctuating velocity spectra. The flow is characterized based on times series, recorded in one of the cavity's shear layers, for a wide range of inflow velocities and cavity distances.Two dimensional and three dimensional direct numerical simulations, which give easy access to the entire flow field, are used to study the intracavitary hydrodynamic feedback mechanism. Vorticity fields, obtained from 2D numerical simulations, show the importance of the recirculating intracavitary back flow. Vorticity packages, injected by the oscillating and impinging shear layer at the downstream cavity edge, are advected upstream in the recirculation region, creating a ``carousel-like'' pattern. The interaction of this vortex carousel with the oscillating shear layer is found to be responsible for the self-sustained oscillations observed experimentally in single and double cavity flow. The quantification of three characteristic time scales of the rotation allows to identify in which regime the flow resides.Temporal and spatio-temporal inviscid linear stability analyses are applied to a one dimensional base flow of single and double cavity flows. To account for the finite extent of the system, the spatio-temporal linear stability analysis is conditioned by a so called Kulikowskii condition, which allows the reflection of hydrodynamic instability waves within the cavity domain. This feedback mechanism yields a set of discrete, non-harmonic frequencies, some of which compare well with experimental results.

La nécessité de synchroniser les différentes étapes des protocoles d’information et de communication quantiques implique l’utilisation de mémoires quantiques. Différents systèmes physiques sont aujourd’hui explorés, parmi lesquels les ions en matrice cristalline, les atomes froids et les vapeurs atomiques. Le protocole de stockage le plus couramment utilisé se fonde sur le phénomène de Transparence Electromagnétiquement Induite (EIT) : une impulsion lumineuse est gravée dans la cohérence Raman entre les deux états fondamentaux d’un système atomique à trois niveaux en Lambda. Bien qu’elle ouvre des perspectives prometteuses, en termes d’efficacité, de fidélité et de temps de stockage, cette technique est néanmoins sensible aux effets déphasants, tels que des gradients de champs magnétiques.Dans ce mémoire, j’étudie tout d’abord le stockage d’impulsions lumineuses classiques par EIT dans une vapeur d’hélium métastable à température ambiante. Les résultats expérimentaux obtenus sont en accord avec les simulations numériques des équations de Maxwell-Bloch complètes du système et montrent notamment l’existence d’une phase supplémentaire acquise par l’impulsion restituée en configuration désaccordée. Cette phase s’explique par la propagation du faisceau sonde dans un milieu dispersif. Dans une deuxième partie, je mets expérimentalement en évidence, dans le même système, une nouvelle forme de stockage basée sur le phénomène d’Oscillations Cohérentes de Population (CPO), par nature plus robuste aux effets déphasants que l’EIT. Les simulations numériques permettent d’analyser plus précisément les mécanismes à l’œuvre dans une mémoire CPO et, notamment, l’influence de la phase relative entre les faisceaux signal et de couplage sur les efficacités de stockage. / The need to synchronise quantum information and communication protocols implies the use of quantum memories. Different physical systems are investigated nowadays, among which ions in crystals, cold atoms and atomic vapours. The most common protocol is based on the Electromagnetically Induced Transparency (EIT) phenomenon: a light pulse is engraved in the Raman coherence of both ground states of an atomic Lambda–type three-level system. Though it opens promising perspectives, with respect to efficiency, fidelity and storage time, this technique is, however, sensitive to dephasing effects such as magnetic field gradients.In this thesis, I first study the storage of classical light pulses via EIT in a room- temperature metastable helium vapor. The obtained experimental results agree with the numerical simulation of the complete Maxwell-Bloch equations of the system. In particular, the existence of an extra phase acquired by the retrieved pulse is demonstrated in the detuned configuration, which can be explained by the propagation of the signal beam in the medium. In the second part, I experimentally isolate, in the same system, a new storage protocol based on the Coherent Population Oscillation (CPO) phenomenon, which is by nature more robust than EIT to dephasing effects. The numerical simulations allow us to precisely analyse the mechanisms involved in a CPO memory and, in particular, the influence of the relative phase between the signal and coupling beams on the storage efficiencies.

Il s’agit ici d’étudier un phénomène vibratoire ressenti par les utilisateurs d’un masque à oxygène au niveau de la fosse nasale. Le masque à oxygène intègre un régulateur qui envoie de l’oxygène en réponse à une demande de débit. Les vibrations prennent la forme de variations de pression à l’entrée du masque et leur origine est inconnue. Parmi les objectifs du travail de thèse, on essaiera de comprendre l’origine et de caractériser ce phénomène après une modélisation détaillée du régulateur, prenant en compte assez finement sa géométrie. Dans un deuxième temps, la stabilisation de la trajectoire dynamique de ce système sera étudiée par le biais de l’application du critère de Routh à un modèle linéarisé autour d’un point d’équilibre. Dans un troisième temps, quelques phénomènes dynamiques et physiques additionnels seront investis afin de pousser plus en avant la compréhension du fonctionnement du masque. Dans un quatrième temps et en guise d’ouverture, on prendra le temps d’évoquer des pistes supplémentaires pour l’étude de ce système. / The vibratory behavior of a regulated oxygen mask is studied here. The oxygen mask integrates a regulator which sends oxygen in response to a demand flow. The vibrations take the form of pressure variations in the mask volume, at the entry of the nasal ways, and their origin is unknown. Among the goals of this thesis work, we will try first to understand the origin and to characterize this phenomenon after a detailed modeling of the regulator, taking accurately into account its geometry. Second, the stabilization of the system’s dynamical trajectory will be studied by applying the Routh criterion to a linearized model around an equilibrium point. Third, some additional dynamical and physical phenomena will be investigated in order to push forward the understanding of the mask functionning. Fourth, and as an opening, time will be taken to mention supplementary tracks for the study of this system.

Au delà du simple dépôt d’énergie obtenu par des lasers à impulsions longues, le laser femtoseconde conduit à la création de forces agissant sur la matière qui impriment une nanostructuration en volume dans la silice classée dans les dommages de type II. Si on s’avérait capable de maîtriser ces forces, on pourrait alors dépasser les applications actuelles des lasers et ouvrir de nouvelles possibilités en sciences des matériaux. Une partie de cette thèse vise à caractériser et à comprendre les transformations induites par le laser.Dans un premier temps, cette thèse contribue à l’amélioration de nos connaissances concernant la sensibilité de l’interaction à la direction d’écriture et de la polarisation. A travers l’étude des propriétés optiques de la biréfringence linéaire et de l’analyse fine des observations des traces d’interaction, on a pu mettre en évidence son origine dans l’asymétrie spatiale du faisceau et conforter le modèle de la biréfringence de forme à l’origine d’une forte biréfringence. L’ensemble des études a permis la détermination des mécanismes physiques mis en jeu lors de l’irradiation laser en volume.La seconde découverte, également à la base de cette thèse, est la présence d’une chiralité photo-induite. Dans ce sens, nous avons étudié les propriétés circulaires mais la caractérisation de celles-ci soulève des problèmes techniques : les mesures sont faussées en raison de la présence simultanée de fortes propriétés linéaires et de faibles propriétés circulaires. Néanmoins, l’interprétation des mesures mettent en évidence la présence d’une circularité sans pour autant la quantifié. / Beyond the simple deposit of energy with long pulse lasers, the femtosecond laser created forces acting on the matter, which print 3D nanostructuration in silica, classified as type II damage. If one proves to be able to control these forces, one could exceed the current applications of the lasers and open new possibilities in materials sciences. This thesis contributes to characterize and understand the transformation induced by the laser.At first, this thesis contributes to improve our knowledge about the sensitivity of the interaction to the writing and polarization directions. The study of the optical properties of linear birefringence and analysis of the observations of the laser/matter interaction highlight his origin to the beam asymmetry and consolidate the model of form birefringence at the origin of a strong birefringence. All studies have allowed the determination of possible physical mechanisms during the laser irradiation.Second discovery, also at the base of this thesis, is the presence of an photo-induced chirality. In this direction, we studied the circular properties but the characterization of those raises technical problems: measurements are distorted because of the simultaneous presence of strong linear properties and weak circular properties. Nevertheless, the interpretation of measurements highlights the presence of a circularity without revealing its amplitude.

Aujourd’hui les interconnections optiques ont devancé les interconnections électriques à longue, moyenne et courte distance dans le domaine des télécommunications. La photonique silicium a connu un tel développement que même les interconnections inter et intra puces deviennent progressivement à dominante optique. En revanche, la multiplication des terminaux d’accès et l’augmentation constante du volume de données échangées imposent l’apparition de nouveaux composants avec une consommation énergétique encore plus faible. Dans ce contexte, les composants optoélectroniques à faible consommation à base des puits quantiques Ge/SiGe ont été développés. Jusqu’à présent l’utilisation des puits quantiques Ge/SiGe était seulement limitée aux modulateurs à électro-absorption Les travaux menés durant la première partie de ma thèse consistaient à étudier un nouveau type de région active à base de puits quantiques Ge/SiGe couplés. Ces études ont abouti à la démonstration d’un effet d’électro-réfraction géant dans ces structures. La région active basée sur les puits couplés donne lieu à une variation de l’indice de réfraction de 2.3×10-3 sous une tension de 1.5 V seulement. L’utilisation d’un tel effet pour la réalisation de modulateurs optiques intégrés a ensuite nécessité le développement des briques de base passives afin d’obtenir une structure interférométrique. Des virages compacts et des interféromètres de Mach Zehnder sont conçus, fabriqués et caractérisés avec succès. La sensibilité de ces structures à la polarisation est évaluée par simulation numérique et les structures insensibles à la polarisation sont conçues. Un modulateur à électroréfraction intégré est ensuite conçu et fabriqué, nécessitant la mise en place d’un nouveau procédé technologique. Les résultats de caractérisation préliminaires sont présentés. Les perspectives de ce travail sont la réalisation d’un modulateur efficace ayant une tension de commande inférieure à 2V.Le champ d’application des circuits photoniques ne se limite pas au secteur des télécommunications. L’approche basée sur l’optique intégrée est aussi très prometteuse pour l’identification et analyse des espèces chimiques environnantes. La région spectrale de moyen infrarouge est particulièrement adaptée à cet effet car les raies d’absorption spécifiques de nombreuses espèces chimiques y sont présentes. L’utilisation des circuits optiques sur substrat silicium permet de développer des systèmes spectroscopiques performants, compacts et à bas cout. La seconde partie de ma thèse était dédiée au développement de la plateforme photonique large-bande basée sur les guides d’ondes Si1-xGex riches en Ge. Les guides d’onde large bande fonctionnant entre 5.5 et 8.6 µm ont été démontrés expérimentalement ce qui a permis de concevoir des structures plus complexes telles que les MMI et les interféromètres de Mach Zehnder ultra large bande. Le même dispositif possède une bande passante théorique de 3.5 µm en polarisation TE et d’une octave en polarisation TM. Le fonctionnement a été démontré expérimentalement entre 5.5 et 8.6 µm et est seulement limité par la plage de longueurs d’ondes adressable par le laser. Ce travail ouvre les perspectives pour la future démonstration des systèmes spectroscopiques ultra-large bande sur la plateforme Si1-xGex riche en Ge. Une dernière partie de ce travail a été consacrée à l’étude de la génération de la seconde harmonique dans les puits quantiques Ge/SiGe pour les systèmes spectroscopiques dans le moyen infrarouge. Les premières structures sont conçues et fabriquées. / Today optical interconnects have overpassed wires on long, mid and short distances on the telecommunication field. Silicon photonics have known such a development that even inter and intra chip communications progressively become optical. However, the multiplication of data access terminals and the constant increase of data consumption force new components with even lower power consumption to appear. In this context, low power consumption components based on Ge/SiGe quantum wells have been developed. Until now, the use of Ge/SiGe quantum wells has been only limited to electroabsorption modulators. The first part of my thesis was dedicated to the study of a new kind of active region based on coupled Ge/SiGe quantum wells. This work led to the demonstration of giant electrorefractive effect in these structures. The active region based on coupled quantum wells gives a refractive index variation of 2.3×10-3 under a bias of only 1.5 V. The use of this effect for the development of integrated optical modulators needed the development of main building blocks to obtain interferometric structures. Compact bends and Mach Zehnder interferometers have been designed, fabricated and successfully characterized. The sensitivity to the polarization of these structures was evaluated with numerical simulations and polarization insensitive structures were designed. Then, an integrated electrorefractive modulator has been designed and fabricated which needed the development of a new technological process. The first charaterization results are presented. The perspectives of this work are the realization of an efficient modulator with switching voltage lower than 2V. The field of application of photonic integrated circuits is not only limited to the telecommunications. The approach based on integrated optics is also very promising for the identification and analysis of surrounding chemical species. Mid infrared spectral region is particularly suitable for this purpose as it contains specific absorption fingerprints of different chemical species. The use of photonic integrated circuits on silicon substrate allows to develop performant, compact and low cost spectroscopic systems. The second part of my thesis was focused on the development of wideband photonic platform based on Ge-rich Si1-xGex waveguides. Wideband waveguides between 5.5 and 8.5 µm were experimentally demonstrated which made possible the developpement of more complex structures such as MMIs or ultra-wideband Mach Zehnder interferometers. The same device has a theoretical bandwidth of 3.5 µm in TE polarization and of one octave in TM polarization. The operation was experimentally demonstrated between 5.5 and 8.6 µm and is only limited by laser spectral range. This work paves the way for future development of ultra-wideband spectroscopic systems on Ge-rich Si1-xGex platform. The last part of this work concerned second harmonic generation in Ge/SiGe quantum wells for mid infrared spectroscopic systems. First test devices have been designed and fabricated

L’explosion de la demande en données a imposé de nouvelles exigences en terme de débit de transmission qui sont de plus en difficiles à satisfaire sans accroître considérablement les consommations énergétiques dans les centres de données, points névralgiques des réseaux de télécommunications. Dans ce contexte, la photonique silicium est considérée comme la solution la plus adaptée pour répondre de ces problématiques en remplaçant les interconnexions métalliques par des liaisons optiques à base de silicium. Le modulateur électro-optique constitue l’un des composants clés de ces liaisons optiques. Cependant, la centrosymétrie du silicium empêche l’exploitation de l’effet Pockels, un phénomène d’optique non linéaire très efficace dans la conception de modulateurs à très grande bande passante et à faible consommation énergétique. Cette limitation peut être néanmoins contournée lorsque des contraintes mécaniques sont appliquées au silicium de façon à briser sa symétrie d’inversion. Plusieurs travaux théoriques et expérimentaux ont alors été entrepris récemment pour mettre en évidence et quantifier l’effet Pockels induit par contraintes dans le silicium. Mais la nature semi-conductrice du silicium rend l’analyse de l’effet Pockels profondément complexe et cela a soulevé une controverse quant à sa réelle existence dans le silicium contraint. En effet, l’influence des porteurs libres dans le silicium et aux interfaces engendrent un fort signal de modulation, noyant la signature de l’effet Pockels. Pour enrayer les effets de porteurs, la solution apportée par le travail de thèse a été d’étudier le signal de modulation à hautes fréquences (> 5 GHz). Plusieurs études hyperfréquences de l’effet Pockels ont donc été menées dans des structures photoniques en silicium contraint et seront présentées dans ce manuscrit de thèse. Les premières études ont été réalisées sur une plate-forme SOI et les résultats expérimentaux ont permis de mettre en évidence la présence d’un signal de modulation électro-optique à hautes fréquences et dont l’intensité dépend clairement de l’orientation cristallographique du silicium et de l’amplitude de la contrainte appliquée sur celui-ci. Sur la base d’un modèle théorique décrivant le tenseur de susceptibilité électrique du second ordre χ(²), un modèle multiphysique a été développé et a permis de décrire de manière très précise à la fois les résultats expérimentaux et la distribution spatiale du χ(²) dans des guides d’onde silicium contraints. Ces travaux ont également permis de montrer que les faibles intensités des champs électriques appliqués dans les guides d’onde silicium, dues à la distribution des porteurs, sont en grande partie responsable de la faible efficacité de modulation par effet Pockels. Une seconde étude a donc été menée sur une plate-forme SOI modifiée et permettant la conception de circuits électriques plus performants avec des champs électriques générés plus intenses. Les résultats expérimentaux obtenus montrent une amélioration d’un facteur 20 de l’efficacité de modulation par effet Pockels en comparaison des premières études. De plus, le modèle multiphysique a de nouveau permis de décrire ces résultats, renforçant donc davantage sa validité. L’ensemble de ces travaux ouvrent notamment comme perspectives la possibilité d’obtenir un diagramme de l’œil électro-optique dans la mesure où une contrainte plus importante est appliquée aux guides d’onde silicium. De plus, le modèle décrivant le tenseur de susceptibilité électrique du second ordre χ(²) peut également être exploité pour décrire le phénomène de génération de seconde harmonique en optique guidée dont l’existence reste encore ambiguë à l’heure actuelle. / The explosion of data demand imposed new requirements in terms of data transmission rate that are more and more difficult to meet without greatly increasing the power consumption in data centres, hot spots of telecommunications networks. In this context, silicon photonics is considered the most adapted solution to address these complex issues by replacing metallic interconnects by silicon-based photonic links. The electro-optic modulator is one major building block in such photonic links and ensure the conversion of data carried by an electric signal to an optical one. However, silicon being a centrosymmetric material, it cannot exhibit the Pockels effect, a very valuable optical nonlinear phenomenon used in most high-speed and low power consumption modulators. This limitation is nonetheless relaxed by applying deformations to the silicon lattice by means of stress in order to break its inversion symmetry. Numerous theoretical and experimental studies were reported to demonstrate and quantify the Pockels effect. But, the semiconductor nature of silicon tremendously complicate the analysis of the Pockels effect, which existence was questioned in strained silicon and source of controversy. Indeed, free carriers in silicon waveguides and at the interfaces induce a strong modulation signal, thereby screening Pockels effect. To stem the influence of free carriers, the work done in the thesis consisted in studying high frequency-based modulation signal (> 5 GHz). Various microwave studies were then performed in strained silicon photonic structures and will be presented in the following thesis manuscript. First studies were achieved on a SOI platform and the obtained experimental results demonstrated the presence of a weak high-frequency electro-optic modulation signal which intensity clearly depends on the silicon cristallographic direction and the level of stress applied to silicon. Based on a theoretical model describing the second-order nonlinear electric susceptibility χ(²), a multiphysic model has been developed and successfully described both experimental results and the spatial distribution of χ(²) within strained silicon waveguides. These studies also showed that the weak intensity of the applied electric fields, due to the free carriers distribution, are responsible for the weak measured Pockels-based modulation efficiencies. A second study has then been carried out on a modified SOI platform allowing the design of more efficient electric circuits inducing stronger electric fields. An improvement by a factor of 20 was observed on the obtained experimental results compared to the previous ones. Moreover, the multiphysic model could again describe those results, proving its reliability. As outlooks, electro-optic eye diagram of complex electric signals could be obtained at the condition of stronger stress applied to silicon waveguides. Furthermore, the model describing the second-order nonlinear susceptibility χ(²) can also be exploited to depict the second harmonic generation in strained silicon waveguides, which existence is still not clear for the moment.