Le travail de thèse a consisté à élaborer un nouveau type de capteur utilisant la technique des "m-lines" pour détecter la variation d'indice de matériaux sensibles aux gaz déposés en couches minces. En effet, la variation de conductivité d'un matériau sensible utilisé dans les capteurs à oxyde métallique s'accompagne d'une modification de son indice de réfraction lorsqu'il est exposé à un gaz. La littérature a permis d'identifier certains matériaux susceptibles d'être sensibles au butane, au propane et à l'ozone. Ces matériaux ont été déposés et caractérisés afin d'optimiser leurs propriétés optiques, morphologiques et leur sensibilité au gaz. Un banc de test a été réalisé pour la mesure de la sensibilité aux gaz en fonction de la concentration de gaz et de la température (jusqu'à 100°C). Un démonstrateur de principe de capteur a été développé à l'aide d'un réseau coupleur. La détection optique du butane et du propane, dans la gamme 100 à 1000 ppm a été validée.

L'interférométrie astronomique est une technique observationnelle qui forme des interférences avec le rayonnement d'une source à la sortie de différentes ouvertures indépendantes. L'interférométrie monomode (optique fibrée ou optique intégrée) est une catégorie importante de l'interférométrie pour laquelle les faisceaux se propagent à l'intérieur des guides d'onde, les plus populaires étant les fibres optiques. Les guides d'ondes ne sont pas très bien connus de la communauté astronomique. Ils sont souvent présentés comme des entonnoirs à photons, où le nombre de photons injectés est simplement calculé à partir d'un taux de couplage. Ni la propagation dans la fibre, ni l'effet du guide sur le spectre spatial de la source ne sont considérés. Le but de ce travail est de mieux comprendre comment marche le filtrage optique monomode. Après avoir rappelé pourquoi et dans quel contexte les guides d'ondes ont été introduits interférométrie, je vais présenter la physique du filtrage modal sous un angle théorique. Une attention particulière sera portée au problème de la normalisation des modes rayonnés dans une structure guidante. Une approche mathématique originale a été développée et permet de calculer les modes rayonnés de n'importe qu'elle structure multicouche fortement ou faiblement guidante. L'application de la méthode à la fibre optique circulaire bi-couche a permis de calculer la densité spectrale et dévaluer la réjection des modes rayonnés excités par une tâche d'Airy. Nous montrons que la dynamique de la réjection est rapide mais ralentit dans la longueur du guide. De plus des phénomènes interférentiels entre le mode guidé et le paquet d'ondes rayonnés conduisent à la notion d'optimum local pour la réjection en terme de taille de région d'intégration du flux dans le plan transverse du guide. La seconde partie de ce travail est dédiée à l'étude formelle de la relation objet-image dans un interféromètre fibré. Sur une base mathématique rigoureuse nous étudions comment se propage la cohérence partielle à travers le système optique. Nous montrons que les mesures de visibilité sont biaisées à cause de la réduction du champ de vue induite par la présence des guides.

Mon activité s'inscrit dans le cadre de l'information et de l'optique quantiques fondamentales et appliquées. L'axe principal concerne la réalisation des briques photoniques élémentaires utiles aux réseaux quantiques, qui permettent à la fois la communication longue portée et le traitement de l'information quantique. Ces briques, à base d'optique intégrée, permettent d'exploiter efficacement les interactions non−linéaires optique−optique et électro−optique induites par le fort confinement des champs optiques au sein des structures guidantes. L'apport de cette technologie représente un atout essentiel lorsqu'il s'agit d'implémenter une véritable ingénierie de l'intrication, qui est l'une des ressources fondamentales de l'information quantique. J'entreprends également une recherche exploratoire visant le stockage quantique au sein d'ensembles d'atomes froids via le transfert de l'information quantique portée par des photons sur une onde de spin imprimée sur les atomes.

Après avoir introduit les spécificités des différents outils de CAO optiques existants, on contribue au développement d'une approche orientée "Circuit" basée sur l'utilisation de matrices-S, après sa généralisation, pour les composants optiques grâce à l'utilisation du formalisme de la matrice de Jones.<br />Plusieurs composants passifs tels que guide, miroir, isolateur ou encore coupleur optique ont été modéléisés tout d'abord de manière descriptive, puis de manière plus technologique en insérant dans chacun des modèles les spécificités liées à la technologie de fabrication. Nous générons ainsi une bibliothèque de composants à base de fibre optique, d'optique intégrée sur verre ou encore à base de semi-conducteur.<br />Cette bibliothèque de composants est ensuite implémentée dans un simulateur RF de type "Circuit" nous permettant de simuler des circuits optiques. Plusieurs exemples sont étudiés parmi lesquels des interféromètres de Fabry-Perot ou de Mach-Zehnder, des filtres en longueurs d'ondes ou encore des circuits intégrés sur verre.

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. / In this thesis, I present my works on the fabrication, the characterization and the use of optical microfibres. Microfibres are optical fibres drawn down to sub-wavelength diameters by a temperature controlled process. Due to their small dimensions, microfibers have very special properties such as a high confinement of the electromagnetic field, a enhanced non-linear coefficient and a large evanescent tail. These properties are studied in the first chapter, after which a description of the techniques used for the drawing and manipulation of the microfibres is given. Next, we present our experiments on non-linear effects in silica microfibres. In particular, we show that it is possible to generate green light with a pump at 1:55μm thanks to phase-matched third harmonic generation. In order to obtain higher efficiency in this field, the opportunity of drawing microfibres with highly non-linear glasses is discussed. A model of a microfibre laser using erbium doped tellurite glass is also presented. In the last chapter, microfibres are studied in the near field, with a scanning near field optical microscope, revealing the inner characteristics of the propagation in microfibres.

Document de synthèse des travaux de Recherche. Ces travaux concernent deux domaines en particulier : - Les matériaux ultraporeux type " aérogels " : ce sont principalement les aérigels de silice qui sont étudiés d'un point de vue textural et structural - Les matériaux hybrides organiques-inorganiques, principalement sous forme de couches, au travers de l'évolution de leurs propriétés mécaniques ainsi que leurs applications à l'optique guidée.

Ce travail porte sur la conception et la caractérisation de sources semiconductrices d'états à deux photons pour l'information quantique intégrée. Ces dispositifs, basés sur la fluorescence paramétrique dans des guides d'onde en AlGaAs, émettent des paires de photons à température ambiante aux longueurs d'onde des télécommunications. La première source est une diode laser émettrice de photons jumeaux, basée sur un accord de phase modal entre un mode laser de Bragg à 775 nm injecté électriquement et les modes de photons télécom au sein du même guide d'onde. Nous détaillons le design de la structure, sa caractérisation optique linéaire et non linéaire et son comportement sous injection de courant. L'obtention de l'émission laser et de la génération de seconde harmonique sur un même dispositif ouvre la voie vers une source ultra-compacte de paires de photons. Le second dispositif étudié repose sur une géométrie de pompage transverse où un faisceau laser incident sur le dessus du guide génère deux photons télécom guidés et contrapropageants. Nous explorons la grande versatilité de l'état quantique des paires générées par cette source, avec notamment les possibilités d'ingénierie de l'état dans le domaine fréquenciel offertes par cette géométrie. Nous présentons également la première démonstration expérimentale d'états intriqués en polarisation obtenue avec ce dispositif, ainsi qu'un modèle permettant de calculer la qualité de l'intrication à partir des distributions spatiales et spectrales du faisceau de pompe. Ces sources d'états non classiques, compactes et injectables électriquement, sont d'excellents candidats pour les implémentations photoniques de l'information quantique.

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 métamatériaux (MMs) sont des composants artificiels présentant des propriétés électromagnétiques qui n'existent pas dans les matériaux conventionnels naturels. Malgré des développements spectaculaires depuis les années 2000 en radiofréquence et aussi en optique, principalement en mode radiatif, les applications des MMs en optique guidée dans l'objectif de la miniaturisation des composants optoélectroniques sont restés très rares. Donc, poursuivant les recherches sur les MMs plasmoniques en optique guidée initiées par M. Kanté, Mme Ghasemi et Mme Dubrovina, ce travail de thèse constitue une contribution originale à la conception et à la réalisation de composants optoélectroniques basés sur des MMs, y compris leur simulation et leur caractérisation.Durant cette thèse, 3 composants ont été proposés dont 2 ont été réalisés et caractérisés. Ce sont littéralement les premières démonstrations d'applications des MMs à des composants compacts en optique guidée et on peut en conclure qu'une nouvelle famille de composants infrarouges est ici proposée. Cette approche considérée est générique, et elle est compatible avec les plateformes de circuit intégrés conventionnels: Si, InGaAsP / InP, silice dopé, etc. En outre, on démontre que le contrôle à la fois de la variation de l'indice effectif du guide associé au MM et de la fréquence de résonance du MM avec qui travaillent ces composants, sont accessibles simplement en modifiant les dimensions des nanofils qui les composent. Cela permettra à ces composants de fonctionner à d'autres fréquences intéressantes. / Metamaterials (MMs) are artificial components with electromagnetic properties that do not exist in conventional natural materials. Despite tremendous developments achieved since the 2000s in radiofrequency and also in optics, mainly in the radiative mode, the applications of MMs in guided optics, in order to miniaturize the conventional optoelectronic components still remain nearly blank. Following the studies on plasmonic MM in waveguided optics initiated by Mr. Kanté, Mrs. Ghasemi and Mrs. Dubrovina, this thesis work constitutes an original contribution to the design and realization of optoelectronic components based on MMs, including their simulation and characterization methods. During this thesis, 3 components have been proposed, of which 2 have been realized and characterized. These are literally the first demonstrations of MM applications to compact components in waveguided optics and it can be concluded that a new family of infrared components is proposed here. This approach is generic and compatible with conventional integrated circuit platforms: Si, InGaAsP / InP, doped silica, etc. Moreover, it is shown that the control of both the variation of the effective index of the guide associated with the MM, and the resonance frequency of the MM with which these components work, is accessible simply by modifying the dimensions of the nanowires. This will allow these components to operate at other frequencies.

Les guides à cristaux photoniques sont des guides optiques structurés à des échelles inférieures à la longueur d’onde. La vitesse de groupe de l’onde guidée y est ralentie. L’intensité du champ électromagnétique est ainsi exaltée et permet d’envisager de nombreuses applications pour le traitement optique de l'information. Cependant cette exaltation rend aussi les guides particulièrement sensibles aux imperfections de fabrication. Nous réalisons ici une étude théorique, numérique et expérimentale du transport de la lumière lente dans ces guides en présence de désordre. Le travail théorique propose une extension des méthodes perturbatives (de type Born) au cas des modes de Bloch électromagnétiques et un outil numérique original pour prendre en compte la diffusion multiple, qui devient déterminante lorsque la vitesse diminue. Les prédictions de ces deux types d'analyse ont été confrontées à des résultats expérimentaux. Pour la première fois dans les guides à cristaux photoniques, nous avons mesuré les statistiques d'ensemble du transport, en recoupant des mesures réalisées sur 18 échantillons identiques au désordre de fabrication près. Nous mettons en évidence les véritables limites de fonctionnement de ces guides. Ils ne sont limités ni par la dispersion, ni par leur atténuation moyenne. Les phénomènes de diffusion multiple modifient par contre considérablement la loi de probabilité de transmission. Pour pouvoir utiliser les guides à cristaux photoniques, il faut donc rester dans des régimes de fonctionnement où la diffusion multiple est négligeable, c’est-à-dire soit pour des vitesses de groupe relativement grandes (vg > c/20), soit pour des longueurs de guide faibles. / Photonic crystals are optical materials in which patterning of dielectric materials on a sub-wavelength scale creates unusual optical properties such as propagation speeds that are much slower than the speed of light. Electromagnetic fields are locally enhanced and light-matter interactions are thereby increased. However, because of this enhancement, the waveguides are much more sensitive to fabrication disorder. In this manuscript, we develop a theoretical, numerical and experimental analysis of the light transport in disordered waveguides. The theoretical work proposes an extension of the Born approximation to the case of electromagnetic Bloch modes and a new numerical tool which considers the multiple-scattering that becomes dominant when the group velocity decreases. Predictions of both models have been compared to experimental results. For the first time in photonic crystal waveguides, we measured ensemble-averaged quantities of photonic transport, collected on a series of 18 waveguides that are nominally identical and that only differ by statistical structural imperfections. We deduced the actual working limitations of these guides: they are limited neither by their GVD nor by their averaged losses. However multiple-scattering processes change the transmission probability density function dramatically. In order to use photonic crystal waveguides, it is therefore necessary to keep within regimes, where multiple scattering can be neglected, i.e. for relatively high group velocities (vg > c/20), or for short waveguide lengths.