Dans ce travail de thèse nous avons exposé une nouvelle méthode simple et efficace basée sur l'autofocalisation de faisceaux qui permet l'induction de guides optiques au cœur de matériaux photoréfractifs, sans tension appliquée. Cette technique de photo-inscription exploite l'effet pyroélectrique des matériaux ferroélectriques qui permet de générer un effet non linéaire focalisant contrôlé par une augmentation de quelques degrés de la température du matériau. La démonstration expérimentale est réalisée dans les échantillons de LiNbO³ non dopé. Une analyse détaillée de la dynamique de focalisation a notamment permis de former des solitons spatiaux dénommés " pyrolitons ". Ces solitons brillants permettent d'induire des guides circulaires à faibles pertes qui restent mémorisés sur de longues périodes dans le matériau. Par ailleurs, des solitons de surface se propageant à l'interface air/LiNbO³ ont également été observés grâce à cet effet non linéaire contrôlé par la pyroélectricité. Ces résultats expérimentaux ont été confirmés par un modèle numérique 3-D qui prend en compte la dynamique de l'effet photoréfractif. La non linéarité optique commandée en température révélée dans ce travail peut faciliter la mise en évidence de nouveaux concepts. En outre, la technique de photo-inscription associée ouvre de nouvelles perspectives pour la fabrication de circuits optiques 3-D dans le LiNbO³, matériau de référence pour la photonique.

Ce mémoire présente la modélisation, la simulation, l’expérimentation et la conception d’une structure composite intelligente pour des mesures de haute température (jusqu’à 300 °C). Pour ce faire, une fibre à revêtement métallique, particulièrement résistante pour de tels niveaux thermiques, a été considérée et intégrée au sein d’un revêtement d'alumine. La structure composite intelligente se compose alors du substrat, du dépôt et d’un capteur à fibre optique à modulation d’intensité. Pour mener cette étude, une estimation des flux thermiques basée sur le thermogramme expérimental s’est révélée nécessaire afin d’alimenter un modèle numérique. Différents modèles ont ensuite été construits afin d’évaluer les niveaux de températures atteints en surface ainsi que les niveaux de contraintes au sein même du composite. La simulation a montré que le dépôt pouvait thermiquement être considéré comme une couche mince et que la diffusion de la chaleur au sein du dépôt et du substrat était rapide et pouvait être estimée à l'échelle de la milliseconde. La répartition des contraintes est comme on pouvait s'y attendre dépendante du flux incident mais aussi de la géométrie globale du composite. Les contraintes restent relativement uniformes lors de l'échauffement et durant leur propagation mais s’intensifient après le refroidissement. Il s'avère également que les contraintes résultantes ne sont pas symétriques dans la fibre et sont dépendantes de la position de la fibre par rapport au substrat. Après une phase de modélisation des niveaux thermiques et des contraintes susceptibles d’être atteints au sein du matériau, une phase expérimentale consistant à intégrer une fibre optique non fonctionnalisée dans un dépôt d’alumine a donc été réalisée. Les observations microscopiques en surface et en coupe ont été effectuées afin de vérifier l’intégrité de la fibre intégrée. L’adhérence mécanique des fibres a ensuite été mesurée ainsi que l’atténuation optique pendant le processus d’intégration et le comportement thermique de l’ensemble durant des cyclages thermiques. Enfin, un capteur à fibre optique à modulation d’intensité a été conçu par intégration dans un dépôt céramique réalisé par projection thermique. Un système de mesure de la température a donc été construit et les premiers essais de réponse thermique ainsi que le cyclage thermique du capteur de température ont été effectués et analysés. En concluision, cette étude démontre la faisabilité d’une structure composite intelligente par intégration d'un capteur à modulation d’intensité à fibre optique dans un dépôt céramique élaboré par projection thermique susceptible de pouvoir travailler jusqu’à des températures de 300 °C. / This paper presents the modeling, simulation, experimentation and design of a smart composite structrure for high temperature measurements (up to 300 °C). In order to achieve this goal, a high temperature resistant metal coated optical fiber was considered and integrated into alumina coating. The smart composite structure consists of a substrate, a coating and an intensity modulated optical fiber temperature sensor. Firstly, an estimation of heat flux based on a experimental thermogram was firstly carried out in order to feed a numerical modeling. Then, different modelings were built to evaluate the surface temperature levels as well as the composite stress levels. The simulation showed that the composite (substrate and coating) could be considered as a thermally thin medium, the heat propagation within the composite was fast and could be estimated at a scale of millisecond. The stresses remained relatively uniform during the heating process but intensified during the cooling process. The modeling also showed that the stresses are not symmetrical in the fiber and depend on the position of the fiber relative to the substrate. After a modeling evaluation of the thermal levels as well as the stresses that may be achieved in the composite, an experimental step integrating a optical fiber into a thermal coating was carried out. Microscopic observation of surface and cross section were conducted in order to analyze the characteristics of the integrated fiber. The mechanical strength of the integrated fiber was then measured and the optical attenuation during the integration process as well as the thermal behavior of the integrated fiber during the thermal cycling were evaluated. Finally, an intensity modulated optical fiber temperature sensor was designed and integrated into ceramic coating by thermal spraying. A temperature measuring system was designed and the first tests of the thermal response as well as thermal cycling of temperature sensor were carried out. This study demonstrates the feasibility of designing a high temperature resistant smart composite structure by integrating an intensity modulated optical fiber temperature sensor in a ceramic coating elaborated by thermal spraying.

Cette thèse porte sur la manipulation du moment angulaire de la lumière à l'échelle sub-micronique. Le moment angulaire total de la lumière est composé d'une partie de spin, relié au degré de liberté de polarisation circulaire de la lumière, et d'une partie orbitale, relié au degré de libertés spatiaux de la lumière que sont sa direction de propagation (locale et globale) et sa distribution spatiale d'intensité. Le couplage spin-orbite existant entre ces deux contributions permet alors de manipuler les degrés de libertés spatiaux de la lumière par un simple contrôle de son état de polarisation circulaire. Dans cette thèse, nous avons étudié et exploité ce couplage à l'échelle sub-micronique dans deux nouveaux phénomènes que nous avons mis en évidence. Le premier met à profit ce couplage pour permettre d'exciter de manière unidirectionnelle des modes plasmoniques guidés. Une étude complète (numérique, expérimentale et analytique) de ce phénomène nouveau, basé sur un couplage entre le moment de spin du photon incident et le moment orbital extrinsèque des modes plasmoniques guidés dans la courbure d'un guide, est présentée. La deuxième étude présente une voie pour tirer parti du transfert de moment orbital de la lumière à un gaz d'électrons libres dans un métal afin de générer et contrôler le sens et la géométries de boucles de courants sub-microniques dans des structures métalliques. Ce contrôle permettrait la génération d'optomaimants nanométriques, entièrement contrôlés par la lumière, pouvant être modulés aux fréquences optiques. Ce travail a été soutenu par le LABEX Action. / This thesis focuses on the manipulation of the angular momentum of light at the nanoscale.The total angular momentum of light is composed of a spin component, connected to the polarization degree of freedom of light, and an orbital component, related to the spatial degrees of freedom of the light which are its propagation direction (local and global) and its intensity distribution. The spin-orbit coupling between these two contributions allows the control of the spatial degrees of freedom of light by a simple manipulation of its circular polarization state. In this thesis, we have studied and applied this coupling at the nanoscale anbd we have highlighted two new phenomenas. The first one takes part of this coupling to allows unidirectional excitation of plasmonic guided modes. A complete study (numerical, experimental and analytical) of this new phenomenon, based on a coupling between the spin of the incident photon and the extrinsic orbital momentum of the plasmonic guided modes within the curvature of a waveguide, is presented. The second study propose a way to benefit from the transfer of the angular momentum of light to the free electrons gas in a metal to generate and control the direction and the geometry of nanoscale current loops in metallic structures. this control would at optical frequencies. This work was supported by the LABEX Action.

La création du premier laser en 1960 puis l’envol des télécommunications par fibres optique a généré le développement des circuits optiques intégrés. Ces derniers sont des solutions efficaces aux problèmes d’encombrement et d’instabilité. Un contrôle accru des signaux passe cependant par l’exploitation de la polarisation qui permet notamment d’augmenter les débits, de fiabiliser les signaux et de protéger les sources par une isolation optique. Cette dernière application fait partie d’un vaste projet mené par l’IMEP-LAHC en collaboration avec le laboratoire Hubert Curien de Saint-Etienne. L’isolateur sur verre comprend l’intégration d’un séparateur de polarisation, d’un rotateur Faraday et d’un rotateur réciproque de polarisation à 45°. L’objectif de ces travaux «était de démontrer la faisabilité de la dernière fonction. La réalisation s’est basée sur l’exploitation d’échanges d’ions assistés par un champ électrique (EAC). Une première étape a consisté à maîtriser les effets de bords inhérents aux EAC, afin de modeler le cœur d’un guide d’onde et incliner les axes neutres de polarisation. Ceci a été obtenu en cascadant deux EAC, le premier créant un guide d’indice de réfraction uniforme, le deuxième modelant son cœur. Le contrôle de la position des axes neutres a ainsi été démontrée pour la première fois dans cette technologie puisqu’une inclinaison à (46,6 ± 0,1)° en entrée et (42,3 ± 0,1)° en sortie a été mesurée. L’étude numérique du procédé de fabrication du rotateur réciproque a également été effectuée et l’adiabaticité du composant a été validé analytiquement. Une première réalisation a mis en évidence un problème de pertes élevées liées au dégazage des sels d’échange. Des pistes d’optimisation sont donc avancées. Une suggestion d’amélioration du rotateur Faraday est également présentée. Elle exploite les progrès obtenus sur les EAC et démontre la faisabilité de guides d’ondes à biréfringence négative. Finalement un procédé de fabrication de l’isolateur complet, compatible avec le budget thermique, est proposé. / The fabrication of the first laser in 1960 and the growth of fiber optics telecommunications have led to the development of integrated optics circuits. Theses lasts are efficient solutions to compacity and misalignment problems. Moreover, polarization management in integrated circuits enables to increase the data rate, to guaranty the signals reliability or to protect optical sources. The work presented here is dedicated to this last application, which is the motive of a long-term collaboration between IMEP-LAHC and the Hubert Curien institute in Saint-Etienne. Indeed, we proposed to fabricate a 45° reciprocal polarization rotator that is part of the optical isolator’s design, along with a polarization splitter and a Faraday rotator. We choose to use a field-assisted ion-exchange technique (FAIE). The implementation of the polarization rotator requires managing the side effects of the electrical field lines occurring during a FAIE. It allows controlling the waveguide core’s shape and thus the eigen axes tilt. It was obtained thanks to two cascaded FAIE. The first one, an Ag+/Na+ ion exchange, creates a high refractive index waveguide while the second one, a Na+/Na+ ion exchange, modifies the shape of the waveguide’s core. Measurements of the experimental polarization behavior are a first proof of a controlled tilt of eigen axes in this technology. Indeed, the waveguide exhibits a tilt of its eigen axes of (46.6 ± 0.1)° at the input and (42.3 ± 0.1)° at the output.The numerical study of the reciprocal rotator’s process has also been proposed and the adiabaticity of the design analytically validated. The first realization highlights high propagation losses that can linked to the degassing of the nitrate salts occurring during the FAIE. Possible improvements are thus suggested in the document.An enhancement of the Faraday rotator’s design is also proposed. It is obtained thanks to the fabrication of a waveguide exhibiting a negative birefringence whose design exploits the progress achieved in term of FAIE control. Eventually, a complete fabrication of the integrated isolator is proposed, taking into account the thermal budget of the various processes.