Le présent travail a pour but l'élaboration ainsi que la caractérisation structurale et optique de matériaux composites à base de nanocristaux semi-conducteurs à grand gap dispersés dans des matrices optiquement transparentes dans le domaine UV Visible. La première partie du travail expose la problématique du sujet à étudier et met en évidence l'actualité du travail envisagé. Elle donne un aperçu sur les propriétés optiques des nanocomposites à base de semi conducteurs et fait apparaitre les raisons justifiant le choix des matériaux adoptés pour la fabrication des nanocomposites étudiés : CdSe/KBr, CdSe/KCl, CdSe/ PMMA et ZnSe/PMMA. Dans la deuxième partie, sont développées les méthodes d'élaboration des matériaux nanocomposites élaborés (méthode de Czochralski pour les monocristaux CdSe/KBr, CdSe/KCl et méthode du spin-coating pour les couches minces CdSe/PMMA, ZnSe/PMMA). Egalement sont décrites les différentes techniques utilisées pour leur caractérisation structurale et optique. La troisième partie comporte la discussion des résultats de la caractérisation structurale par la diffraction X, la spectroscopie IR, la spectroscopie Raman, la spectroscopie de masse (AFM) et la microscopie optique (MEB). Toutes ces techniques complémentaires confirment l'incorporation des cristallites de CdSe et de ZnSe dans les matrices hôtes KBr, KCl et PMMA. La quatrième partie présente les résultats de la caractérisation optique par l'absorption optique UV-Visible, la photoluminescence ainsi que la mesure de la réponse non linéaire du second et troisième des nanocomposites élaborés. Les résultats obtenus mettent en évidence l'effet d'un confinement quantique induit par la taille nanométrique des cristallites des semi-conducteurs CdSe et ZnSe et l'effet de surface dont l'action se manifeste par un shift des propriétés optiques linéaires et par une exaltation des propriétés optiques non linéaires.

Ce manuscrit, divisé en cinq chapitres, présente les différents aspects de ce travail. Le premier<br />chapitre décrit le silicium poreux et sa réalisation, les différents paramètres de formation,<br />ses propriétés structurales. Les propriétés de luminescence des ces ions (Erbium et Ytterbium)<br />sont exposées par la suite. Enfin, un état de l'art est détaillé sur les amplificateurs optiques dopés<br />Erbium déjà réalisés à partir de silicium poreux ainsi qu'à partir d'autres matériaux.<br />Le deuxième chapitre présente les conditions expérimentales d'élaboration des guides plans et<br />canaux en silicium poreux et les conditions de dopage et/ou codopage ainsi que les traitements<br />thermiques. Les méthodes de mesures de l'indice de réfraction, la photoluminescence et la photoluminescence<br />résolue en temps sont présentées. Les observations en champ proche et les mesures<br />des pertes ainsi que les mesures de gain optique sont également exposées.<br />Dans le troisième chapitre, les profils de concentration des ions terres rares pour les guides plans<br />et canaux sont présentés et discutés. Dans ce chapitre, un accent particulier estmis sur la variation<br />de l'indice de réfraction en fonction des conditions d'anodisation de dopage et des traitements<br />thermiques.<br />Le quatrième chapitre est consacré à l'étude des guides dopés et codopés par photoluminescence<br />et photoluminescence résolue en temps pour montrer l'activation des ions Erbium ainsi<br />que la détermination de la durée de vie du niveau métastable 4I13/2. Ces résultats vont nous<br />permettre d'optimiser la meilleure concentration d'Ytterbium pour le codopage ainsi que d'expliquer<br />les mécanismes d'excitation des ions Erbium. La concentration des ions Erbium actifs<br />dans les guides sera déterminée.<br />Le dernier chapitre décrit les observations en champ proche et les mesures des pertes pour les<br />guides ainsi réalisés. Le gain on/off dans les guides, définie comme étant le rapport de l'intensité<br />lumineuse du sortie avec pompage à 980 nm sur la puissance du signal de sortie sans pompage, a<br />été mesuré et exploité pour les guides codopés avec différentes concentrations d'Ytterbium. Les<br />variations du gain en fonction de la longueur d'onde sont présentées.

Pour accompagner la demande accrue en termes de débits d'informations (40 Gb.s-1 et au-delà) dans les réseaux, il devient nécessaire d'insérer des fonctions optiques rapides pour le traitement du signal. Afin de pouvoir les réaliser, cette thèse s'intéresse à l'exploitation des effets des susceptibilités diélectriques non linéaires d'ordre 3 (ou ki(3)). Ainsi la thèse présente l'étude de la conception de guides monomodes à base de P3AT (Poly(3-AlkylThiophène)), polymère n'ayant jamais été utilisé en guides d'ondes. Après un état de l'art des fonctions cibles et des matériaux, nous montrons que les guides en P3AT pourraient aboutir à des fonctions miniaturisées tout-optique ultra-rapides. Afin de prévoir la mesure de l'effet Kerr de ces matériaux en structure guidante à 1550 nm, un premier banc de caractérisation par auto-modulation de phase a été optimisé et validé avec des fibres standards et spéciales. Pour la conception des guides ensuite, il a été nécessaire de faire la synthèse du polymère pour assurer une bonne solubilité pour la mise en oeuvre. Nous avons ensuite travaillé à l'étude de plusieurs structures de guides : ‘‘ridge'', induits par ruban, ruban inversé, hybrides. Chaque structure a été validée avec des polymères passifs ou standards, mais la propagation dans les guides P3AT n'a pu être mise en évidence. Cependant nous avons démontré que les pertes optiques n'étaient pas intrinsèques au matériau P3AT, mais plutôt causées par la diffusion de lumière par des centres diffusants extrinsèques.

Les métamatériaux sont des composites artificiels présentant des propriétés électromagnétiques qu'on ne trouve pas dans la nature. Malgré des développements spectaculaires durant la dernière décennie, le potentiel de ces structures aux longueurs d'ondes optique n'est pas encore clairement défini en raison de problèmes technologiques et de contraintes physiques telles que les pertes dans les métaux entrant dans la composition des métamatériaux. Dans notre thèse, nous montrons que les métamatériaux ont des propriétés très favorables dans le contexte de l'optique intégrée dans le proche infrarouge. Nous avons développé une stratégie pour incorporer des métamatériaux dans des circuits photoniques qui n'absorbent que très peu d'énergie. Pour cela, nous ne faisons pas directement agir l'ensemble du mode guidé avec les métamatériaux, mais seulement une composante évanescente à l'extérieur du guide. Pour réaliser un tel adaptateur ou d'autres fonctionnalités, il importe de déterminer quelle géométrie de métamatériaux est la plus favorable aux applications infrarouges. Nous proposons d'utiliser des structures à base de fils d'or empilés couche sur couche. A l'aide de simulations numériques et d'expériences en espace libre, nous montrons qu'il est possible d'obtenir toute une gamme de réponses optiques en contrôlant le couplage entre les différents niveaux de fils, c'est-à-dire en ajustant la distance entre les fils ainsi que leur alignement. En particulier, nous avons réussi à contrôler séparément la réponse électrique et magnétique de nos structures, ce qui offre une flexibilité de conception qui ne se rencontre pas dans les métamatériaux proposés jusqu'à présent.

Ces dernières décennies, la fibre optique est devenue le support privilégié pour le transport de données numériques entre villes, régions ou pays sur des distances allant de quelques kilomètres à une dizaine de milliers de kilomètres. Les systèmes de transmissions optiques de recherche aussi bien que commerciaux offrent aujourd'hui des capacités de transport multi-Terabit/s sur des distances de plus de 1000km pour répondre à l'augmentation vertigineuse du trafic de données, et sont basés sur l'utilisation en parallèle de canaux modulés à 10, 40 ou 100Gb/s. Pour autant, la conception efficace de systèmes de transmissions ou de réseaux optiques à capacité toujours plus grande et à coût maitrisé n'est pas chose aisée. En effet, cette activité requiert une très fine connaissance de l'interaction entre de multiples phénomènes physiques linéaires et non-linéaires et de leur impact sur la propagation de signaux optiques modulés. En outre, l'infrastructure d'un réseau optique terrestre est la plupart du temps très fortement hétérogène en raison de contraintes géographiques ou topologiques, ou encore en raison du poids très fort de la réutilisation d'infrastructures préexistantes. Enfin, lors de la construction d'un nouveau réseau ou la mise à niveau d'un réseau existant, cette étape de conception doit tenir compte du caractère partiel de la connaissance des paramètres physiques de l'infrastructure déployée. Pour maîtriser une telle complexité en un temps raisonnable et acquérir une vision globale du système, il est indispensable de s'appuyer sur des outils issus de la physique et de l'observation. Dans cette optique, ce manuscrit s'appuie sur des études menées entre 2000 et 2010 pour comprendre et quantifier l'accumulation des effets non-linéaires de type Kerr sur les systèmes de transmission modulés à 10, 40 et 100Gb/s. Nous introduisons ici de nouveaux outils permettant de prédire rapidement et avec précision la qualité de transmission de réseaux optiques terrestres hétérogènes affectés par de multiples effets de propagation ainsi que des outils permettant d'optimiser le réglage de la ligne de transmission (gestion de la dispersion, réglage des amplificateurs et des puissances d'entrée dans les fibres).

Ce travail de thèse s'intéresse à deux types de matériaux composites en couches minces, dont les constituants sont des nanostructures de forme donnée faites de métal noble ; ils présentent des résonances de plasmon multipolaires. Leurs propriétés optiques dans le spectre visible-proche IR sont étudiées par deux techniques, le calcul par la méthode des éléments finis et l'ellipsométrie généralisée. Le premier type de matériau est le réseau de résonateurs en " U " faits d'or. Les mesures de matrices de Mueller par ellipsométrie permettent de mettre en évidence deux propriétés optiques particulières de ce type d'échantillon : d'une part le couplage magnéto-électrique et d'autre part la dispersion spatiale ; ces deux effets compliquent la description des propriétés optiques d'un matériau. Nous montrons dans un deuxième temps que ce type d'échantillon peut être décrit par un modèle effectif défini par des tenseurs constitutifs de permittivité, perméabilité et chiralité, malgré la dispersion spatiale. L'effet des résonances de plasmon multipolaires est exprimé par des oscillateurs de Lorentz. L'ajustement des paramètres d'un modèle effectif permet de définir complètement les propriétés optiques effectives d'un réseau de résonateurs en " U ". Le second type de matériau est un réseau désordonné de résonateurs hélicoïdaux faits d'argent. L'intérêt principal réside dans l'aspect industrialisable du process de réalisation ; l'inconvénient vient du caractère non-idéal des nanohélices. Nous montrons que ce type d'échantillon présente une dispersion spatiale très forte, mais que les résonances propres observés grâce au calcul par éléments finis sont utilisables pour les métamatériaux.

Ce mémoire de thèse porte sur la fabrication, la caractérisation et l'utilisation de microfibres de verres en optique. Les microfibres sont des fibres optiques étirées à chaud par un procédé contrôlé en température et en contrainte, de manière à réduire leurs sections jusqu'à des valeurs inférieures à la longueur d'onde. Ces dimensions réduites confèrent aux microfibres des caractéristiques particulières, telles qu'un fort confinement du champ électromagnétique conduisant à une exaltation du coefficient non linéaire effectif ou une grande fraction de champ évanescent. Ces propriétés sont étudiées en première partie, puis les techniques expérimentales de fabrication et de manipulation de ces microfibres sont décrites. Dans un deuxième temps, les expériences cherchant à exploiter la grande non linéarité de ces microfibres sont présentées et interprétées. En particulier, on note la possibilité de générer un signal visible à partir d'une pompe à la longueur d'onde télécom par triplage de fréquence avec accord de phase. Afin d'obtenir des effets plus importants, l'opportunité de réaliser des microfibres en verres hautement non linéaires est discutée, ainsi que la faisabilité d'un laser basé sur des microfibres en verres dopés aux ions terres rares. Enfin, l'aspect champ évanescent est discuté dans le dernier chapitre, avec l'imagerie par microscopie en champ proche des microfibres.

Les besoins en dispositifs opto/hyperfréquences, pour moduler les informations en transit sur les réseaux de télécommunications fibrés et hertziens, ont conduit au développement de matériaux organiques actifs en optique non linéaire, prometteurs en terme de performance mais limités par une faible stabilité dans le temps de leurs propriétés.<br />L'objectif de ce travail était de caractériser les propriétés optiques du polymère PGMA-DR1 (PIII), ainsi que d'étudier sa mise en forme et son intégration dans une structure guidante en vue de la réalisation d'un modulateur électro-optique.<br />La caractérisation de l'orientation des chromophores du PIII par génération de seconde harmonique a mis en évidence la capacité du matériau, après réticulation, à conserver ses propriétés sur une durée de plus d'un an. La structuration du polymère d'étude sous la forme d'un guide d'onde canal monomode, par un procédé de photolithographie et de gravure ionique réactive, nous a permis d'étudier ses propriétés de guidage, conduisant à des atténuations linéiques comprises entre 10 dB/cm et 3 dB/cm à 1,55 µm. De plus, des techniques alternatives de structuration du polymère par impression ont été étudiées. Les procédés d'emboutissage à chaud et de réplique par moulage permettent de simplifier la technologie de réalisation des guides. Finalement, la possibilité de réaliser in-situ l'étape d'orientation des chromophores, par procédé de poling en géométrie plan-plan, lors de la mise en forme du matériau a été démontrée.

Les mécanismes de combustion dans des suspensions de fines particules solides dispersées dans un milieu gazeux sont étudiés en cherchant à corréler les caractéristiques d'explosion isochore aux conditions initiales existant dans le mélange au moment de l'allumage.<br />On étudie, en premier lieu, les mécanismes de génération d'une suspension de particules solides. Un montage spécifique a été réalisé, comprenant une chambre cylindrique transparente de section octogonale et de faible allongement (V=20l, L/D≡2,2). La dispersion des particules s'opère au moyen d'un écoulement turbulent créé par la décharge d'un réservoir auxiliaire. Les expériences ont été effectuées avec des mélanges amidon-air de concentrations inférieures à 400g/m3. Les enregistrements, par imagerie rapide, LDV et PIV, de l'évolution au cours du temps de l'état aérodynamique du milieu et de la répartition des particules dans l'enceinte indiquent que le délai nécessaire pour obtenir un mélange optimal (vitesse et intensité de turbulence minimales, concentration quasi-homogène) est compris entre 500 et 700ms.<br />On étudie, ensuite, les caractéristiques de combustion isochore de ces suspensions dans une chambre d'explosion de caractéristiques géométriques similaires à celle de l'enceinte précédente pouvant supporter des pressions de 50bar. A la richesse 1, la pression maximale d'explosion est de 5,8bar et la vitesse de combustion de 48cm/s. Ces valeurs diminuent lorsque l'intensité de turbulence initiale décroît.

Ce manuscrit de thèse porte sur l'étude et la compréhension des boites quantiques InAs sur substrat InP, travail mené en collaboration avec l'université technique (TU) de Berlin en Allemagne, et l'université catholique (KU) de Leuven en Belgique, dans le cadre du réseau d'excellence européen SANDIE.<br /><br />Le chapitre 0 est une introduction détaillée à la physique des boites quantiques. Cette partie mets en évidence les motivations et les enjeux scientifiques liés à l'étude des boites quantiques, et en particulier dans le système InAs/InP. Les principes de fabrication des boites quantiques par épitaxie par jet moléculaire sont également détaillés.<br /><br />Le chapitre 1 présente une étude théorique des boites quantiques sur substrat InP. Ces boites sont tout d'abord étudiées à l'aide d'une méthode de calcul de type k•p à huit bandes. L'influence de la composition de la boite quantique (InAs ou InAsSb), ainsi que celle de l'orientation du substrat ((311)B ou (100)) sur les propriétés optiques des ces boites est ainsi analysée. Des solutions sont ainsi proposées pour l'utilisation de telles boites quantiques comme sources laser pour les applications télécom (1.5 µm), ou encore pour la détection de gaz, ou les transmissions en espace libre (entre 2 et 5 µm). <br /><br />Dans le chapitre 2, les boites quantiques sont étudiées expérimentalement. De nombreuses techniques de spectroscopie ont été utilisées (photoluminescence, magnéto-photoluminescence, spectroscopie d'absorption) afin de déterminer les constantes fondamentales de nos boites quantiques. Ainsi, le coefficient d'absorption, le rayon de Bohr de l'exciton, sa masse effective et son énergie de liaison sont mesurés dans le système InAs/InP, ainsi que les écarts énergétiques entre les états fondamentaux et excités de boites quantiques. Il est ainsi démontré expérimentalement que l'utilisation d'un alliage quaternaire InGaAsP est plus adapté pour les applications laser que l'alliage binaire InP. <br /><br />Le couplage latéral de boites quantiques est étudié à la fois expérimentalement et théoriquement dans le chapitre 3. Lorsque l'alliage quaternaire InGaAsP est utilisé avec des conditions de croissance optimisées, une très haute densité de boites quantiques peut être obtenue, avec une bonne organisation de ces boites dans le plan de croissance. Une nouvelle méthode de calcul dans l'espace réciproque a été développée afin de simuler un tel super-réseau de boites quantiques. Ces calculs prédisent qu'il peut exister un couplage latéral entre ces boites quantiques pour de si fortes densités. Des expériences de magnéto-photoluminescence, de photoluminescence et d'électroluminescence sont utilisées afin de mettre en évidence ce couplage latéral. L'influence de ce couplage sur la redistribution des porteurs de charge dans les composants laser est discutée. Il est montré qu'un régime de couplage judicieusement choisi permet d'améliorer les performances des lasers à boite quantique.<br /><br />Finalement, des expériences pompe-sonde sur les boites quantiques InAs/InP sont présentées dans le chapitre 4. Les temps de vie radiatifs des niveaux d'énergie de boites quantiques sont mesurées. Une interprétation de ces mesures est donnée en terme de durée de vie de l'exciton et du biexciton dans nos boites quantiques, et les conséquences de ces mesures sur le comportement dynamique des composants lasers à base de boites quantiques sont discutées.<br /><br />Des conclusions et des perspectives à ce travail de thèse sont enfin présentées, ainsi que la bibliographie utilisée comme support et point de départ de ce travail de thèse.