Depuis de nombreuses annees, l'optique guidée monomode est utilisée en interférométrie stellaire pour assurer la recombinaison des faisceaux. La solution de l'optique integree planaire monomode permet, de plus, d'obtenir une importante stabilité instrumentale pour un volume compact. Le filtrage modal combiné a ces avantages augmente nettement la précision de mesure des visibilité interférométriques. L'utilisation de l'optique intégrée offre des avantages décisifs pour les futures missions spatiales DARWIN et TPF "Terrestrial Planet Finder" fonctionnant en IR thermique (de 4 a 20 micromètres de longueurs d'onde). Les technologies d'optique intégrée basées sur la silice, gravure de couches minces et échange d'ions, développées pour l'infrarouge proche, sont utilisées avec succes dans la bande de transmission de l'atmosphere H [1470-1780 nm]. Dans ce travail de thèse, nous avons débuté le développement de l'optique intégrée pour étendre le domaine de longueurs d'onde entre 2 et 20 micromètres. Pour cela, les technologies basées sur la silice ont été validées dans la bande de l'atmosphère K [2000-2400 nm]. Une analyse de différentes technologies d'optique intégrée existantes a permis d'en sélectionner plusieurs qui sont compatibles avec les contraintes instrumentales et technologiques. Au travers de différentes réalisations et mesures, nous avons défini les développements technologiques à mener et les étapes de caractérisation nécessaires. Nous avons également mène des mesures pour déterminer le domaine de longueurs d'onde sur lequel il y a effectivement un guidage du mode fondamental.

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.

Pour répondre à la demande d'un débit croissant du transport des informations par voie optique, le multiplexage en longueur d'onde (DWDM) prévoit le transport simultané d'information sur plusieurs longueurs d'ondes optiques dans une même fibre optique. Dans ce cadre, la mise au point de sources laser présentant un spectre d'émission étroit et stable, et pouvant intégrer plusieurs longueurs d'onde d'émission est requis. Deux principaux types de sources laser sont déjà en place sur le marché : les laser sur matériau semi-conducteur, ainsi que les lasers à base de fibre optique. Nous proposons la solution alternative de l'optique intégrée sur verre, qui semble un bon compromis, puisqu'elle permet à la fois une bonne stabilité et l'intégration de plusieurs composants sur une même puce. L'objectif de ce travail est alors la réalisation et la caractérisation de matrices de lasers DFB utilisant la technologie de l'optique intégrée sur verre. Les lasers réalisés présentent une puissance de sortie de 4,3 mW pour 220 mW de puissance de pompe injectée. La stabilité de l'intensité émise est caractérisée grâce à la mesure du bruit d'intensité relatif (RIN), dont la valeur est inférieure à –155 dB.Hz-1 après 4 MHz. La largeur de raie d'émission des lasers vaut 8 kHz, ce qui correspond à une longueur de cohérence de 10 km. Nous démontrons par ailleurs la réalisation d'une matrice de 18 lasers dont les fréquences d'émission couvrent une gamme spectrale de près de 1 terahertz. L'espacement entre les fréquences émises par les différents lasers de la matrice est de 25 ou 100 GHz, démontrant l'intérêt de ces matrices pour une utilisation dans le domaine des télécommunications optiques. Finalement, la remarquable finesse de la raie d'émission permet d'envisager d'autres types d'applications, allant des capteurs à la spectroscopie.

Au laboratoire, cette thèse fait suite à des modélisations sur des fonctions passives intégrées optiques à base de micro-résonateurs en anneaux. Pour les réaliser, une étude de toutes les étapes de réalisation de circuits en polymère a été effectuée. Les objectifs sont l'obtention de guides arêtes, ridge monomodes avec des performances acceptables et la miniaturisation de fonctions avec les matériaux et technologies envisageables au CCLO. Des points bloquants ont été identifiés au départ, tels que le manque d'adhérence entre matériaux, les incompatibilités technologiques et optiques entre polymères, les phénomènes liés au procédé occasionnant des pertes optiques excessives. Après un état de l'art sur les polymères pour guides d'ondes optiques, le manuscrit présente les travaux spécifiques sur le choix des matériaux et l'évaluation de l'adhérence de polymères amorphes sur les substrats envisagés, ainsi que la qualité et la reproductibilité des dépôts et leur gravure sèche par plasma. L'analyse de l'apparition de défauts de surface des films et " ridge " ainsi que les solutions trouvées pour les éliminer, sont plus particulièrement développés. L'adaptation de la photolithographie classique en UV proche est détaillée pour atteindre des tailles de motifs submicroniques. Les résultats des méthodes d'analyse entreprises pour discriminer les différents facteurs de pertes optiques en propagation sont discutés. Enfin, les réalisations de guides monomodes à base de polymères méthacryliques pour le coeur ainsi que les premières structures de filtres et multiplexeurs en micro-résonateurs intégrés en anneaux et à faible intervalle spectral libre (1-3nm) sont présentées et analysées.

Le présent travail visait à développer et à étudier une nouvelle méthode de fabrication des guides d'onde, « High Index Soft Proton Exchange » (HISoPE) , qui permet de réaliser des guides d'onde très confinés (dne = 0,1). Des caractérisations en génération d’harmonique localisée ont montré que les propriétés non linéaires de ces guides ne sont pas détruites mais les guides HISoPE réalisés sur coupe Z peuvent présenter des modes ayant des pertes élevées. Ces pertes peuvent être éliminés en utilisant des bains plus acides pour l’échange, mais cela implique des déformations plus importante dans les guides d'onde canal et la nature hybride des modes propageant. Dans le cadre du projet PhoXcry, nous avons essayé de réaliser un modulateur électro-optique très efficace en combinant des cristaux photoniques et des guides HISoPE sur coupe X. Dans les meilleurs guides d'onde fabriqués sur coupe X, les pertes à la propagation, expliquées par la nature hybride des modes sont de 1.75dB/cm, mais dans les guides d'ondes nanostructurés il n’a pas été possible d’identifier clairement une bande interdite photonique. HISoPE en combinaison avec l’échange inverse (Reverse Proton Exchange, RPE) a montré un grand potentiel pour la fabrication de guides d'onde enterrés. Dans une expérience de SHG et malgré des pertes élevées de 2dB/cm, nous avons pu estimer une efficacité de conversion de 160%/W*cm2. Un comportement du coupleur directionnel a été observé dans les guides d'onde enterrés fabriqué en raison d’une cinétique RPE différente dans les différentes parties du guide d'onde. Un développement ultérieur de la méthode HISoPE + RPE devrait permettre d'améliorer la qualité des guides enterrés. / The present work aimed to develop and to study a new method of waveguide fabrication, High Index Soft Proton Exchange (HISoPE), which allows realizing highly confining waveguides in LiNbO3 (dne=0.1). Characterizations by localized SHG experiments, showed that the nonlinear properties of the HISoPE waveguides are not destroyed, but modes with high propagation loss were observed for planar HISoPE waveguides on Z-cut wafers. These losses can be eliminated by performing the exchange in more acidic bath, but this results in more important deformations in channel waveguides and in the hybrid nature of the propagating modes. In the frame of the project PhoXcry, we tried to realize a highly efficient electro-optical modulator by combining photonic crystals and HISoPE waveguides on X-cut wafers of LiNbO3. The losses of the waveguides fabricated on X-cut, attributed to the hybrid nature of the propagating modes, were estimated to be around 1.75dB/cm. The nanostructured waveguides exhibited high losses and it was not possible to identify clear optical band gap. HISoPE in combination with reverse proton exchange (RPE) showed a great potential for buried waveguide fabrication. We used them in a SHG experiment and despite elevated losses of 2dB/cm, the conversion efficiency was estimated as high as 160%/W*cm2. A directional coupler behavior was observed in the buried waveguides due to different RPE kinetics in different parts of the waveguide. A further development of the HISoPE+RPE process will improve the quality of the buried waveguides.

La détection de gaz suscite depuis une dizaine d'années, un intérêt grandissant voir galopant, cela pour diverses raisons : environnementales, de santé publique, de sécurité (Hommes et infrastructures), etc... Ce dynamisme a pour conséquence un besoin de renouvellement et de perfectionnement des moyens de détection, qui croît à mesure que les normes existantes et les secteurs d'application respectivement, se complexifient et se diversifient. Une telle frénésie entraîne naturellement l'augmentation du nombre de projets de recherche sur cette thématique : le projet ANR PEPS, débuté en 2010, est l'un d'entre-eux. Acronyme de "Pellet Photonique Sensor", il vise à démontrer la faisabilité d'une plateforme de détection photonique multi-gaz exploitant l'effet thermo-optique, grâce à la combinaison de deux éléments centraux : des nanopoudres catalytiques sélectives aux gaz visés (dihydrogène ou monoxyde de carbone) et un composant photonique planaire très sensible aux variations d'indice de réfraction. Ce manuscrit est principalement consacré à la conception (sélection et optimisation) du composant photonique. / For about a decade, gas detection has known a tremendous interest, due to several reasons: environmental issues, public health, people and building safety, etc... This trend, triggered a spectacular and sustainable need of gas detection means improvement and development, which has grown with both standards sophistication and scope extension. As a matter of fact, the number of research projects related to this particular topic increased: PEPS ANR project, begun in 2010, is one of them. This research project, which is the acronym of Pellet Photonique Sensor, aim at developing a photonic multigas detection system based on thermo-optical effect, thanks to the combination of on one hand, catalitic nanopowders which react selectively with the target gas (hydrogen or carbon monoxide) and on the other hand, an high sensitive to refractive index variations planar photonic component. This thesis manuscript mostly treats of the photonic component design (choice and optimization).

Suite au développement remarquable d'Internet, il est attendu que le trafic numérique augmente de manière exponentielle, ainsi que la nécessité d'utiliser des liens de communication très hauts débits. Pour adresser ces problématiques, il est donc essentiel de proposer des systèmes performants avec une consommation énergétique réduite. La photonique sur silicium est une solution prometteuse qui répond à ce besoin en intégrant des fonctionnalités optiques dans un circuit intégré utilisant les procédés de fabrication de pointe de la microélectronique. Dans ce contexte le sujet de thèse porte sur le modulateur optique. Celui-ci doit supporter des hauts débits de transmission, avoir de faibles pertes optiques, et être peu énergivore. Pour respecter ces objectifs, plusieurs paramètres doivent être optimisés en tenant compte des contraintes de fabrications, afin de trouver le meilleur compromis entre ces différents facteurs de mérite. Durant cette thèse, la recherche de l'obtention de meilleures performances du composant a été faite de trois manières. La première approche a été d'améliorer les simulations de la technologie existante de modulateurs à jonction PN. En intégrant les étapes de fabrication dans le processus d'optimisation des performances du composant, les résultats numériques sont plus réalistes. Le point clé de cette étude est la comparaison entre les caractérisations et les simulations de deux architectures différentes de modulateur obtenues dans les mêmes conditions de fabrication. Une partie importante de la thèse a aussi été consacrée au développement de nouveaux modulateurs basés sur l'utilisation d'une capacité verticale intégrée au milieu d'un guide d'onde. Des outils numériques dédiés ont permis de dimensionner deux nouvelles architectures de modulateurs possédant une grande efficacité. Un nouveau procédé de fabrication a été mis en place, et les premiers lots d'étude nous ont permis d'extraire des informations utiles pour la fabrication de ces composants. Enfin, une étude comparative générale entre trois des modulateurs étudiés au cours de cette thèse a été faite. Les résultats permettent de déterminer la configuration optimale pour chaque type de modulateur en fonction de l'application visée. De plus, l'ensemble des données nous a permis de générer un modèle compact pour optimiser rapidement le composant en un temps de simulation réduit. / With the outstanding development of the internet, it is expected that global network traffic will grow exponentially, as well as the concern about the need for high-speed links and interconnections. To address these issues, it is then essential to propose performant systems that will support high speed transmission with low power consumption. Silicon photonics is a promising solution and integrate complex optical functions in a silicon chip, by using standard fabrication process used in microelectronic. In this context, the subject of my PhD is focused on the optical modulator which should support high speed transmission, have low optical losses, and have low power consumption. To obtain these constraints, several parameters need to be optimized while taking account fabrication constraints in order to find the best compromise between the different figures of merit. During this PhD, the improvement of the performances of the component was made by three different ways. The first optimization is related to the simulations for the current technology of modulators based on PN junctions. By integrating the fabrication process in the optimization process, more reliable numerical results are obtain. The key point of this study is the comparison of experimental characterizations and numerical simulations of two architectures of modulator. A substantial part of the PhD was also focused on the development of new modulators based on vertical capacitive junctions. The use of dedicated numerical tools reveals several key aspects of these components, and allow us to optimize two different architectures in order to obtain high efficient modulator. A new fabrication process has been established, and several information were extracted from the first run of fabrication. Then, a comparative study between most of modulators reviewed during this PhD was performed. The results allow us to determine which configuration has the best performances depending of the targeted application. In addition, a compact model was generated to optimize the component in a reduced simulation time.

Les centres de données subissent une augmentation exponentielle du trafic de données, à laquelle la photonique sur silicium apporte une solution grâce à de forts volumes de production, à faibles coûts et à haut rendements. Aujourd'hui la consommation énergétique est un défi supplémentaire à relever face à la densification du réseau. Le modulateur capacitif permet en particulier de réduire la part d'énergie consommée par l'émetteur du circuit photonique qui réalise la modulation d'intensité optique. Les travaux d'intégration et de conception réalisés au cours de cette thèse consistent à introduire un isolant diélectrique au centre du guide d'onde, pour former une capacité silicium/ oxyde/ poly-silicium en régime d'accumulation. Une première version consiste à empiler l'isolant horizontal entre les deux semiconducteurs. Une seconde version complémentaire emploie un isolant vertical au centre du guide d'onde ruban à fente. La première génération de ces composants permet de démontrer leur faisabilité dans la plateforme industrielle de STMicroelectronics. Les mesures conduites au C2N, au CEA-LETI et à STMicroelectronics évaluent les compromis entre l'efficacité, atout du modulateur capacitif, les pertes d'insertion et la bande passante du composant à isolant horizontal. Des pertes de 3 dB/mm sont extraites, dont seulement 0.5 dB/mm dues au poly-silicium. Un taux d'extinction de 2 dB est mesuré à travers 700 µm sur un diagramme de l'œil à 10 Gb/s, grâce à un produit VpLp=5.5 V.mm à 15 nm d'épaisseur d'oxyde (1.2 pF/mm). La consommation électrique du modulateur capacitif est finalement optimisée pour atteindre 1 pJ/bit à 0.9 Vpp. / Global datacenter data exchange is exponentially growing and silicon photonics is the key answer, thanks to high production volume, at low cost and high yield. Today, energy consumption is a new challenge highlighted by network densification. Capacitive modulators address a specific reduction of the power dedicated to the photonic circuit emitter for light intensity modulation. Design and integration of capacitive modulators are carried out during this thesis. It consists of inserting a dielectric insulator within the optical waveguide center, in order to shape a capacitance with a silicon/ oxide/poly-silicon stack in accumulation regime. A first device is made up of an horizontal insulator stacked between the semiconductors. A second device type comprises a vertical insulator in the center of a slot rib waveguide. The first fabrication release demonstrates device feasibility within STMicroelectronics industrial platform. Characterization results of the first device type from C2N, CEA-LETI and STMicroelectronics evaluate the trade-offs between efficiency - featured by capacitive modulators - insertion losses and bandwidth. 3 dB/mm insertion losses are measured, including 0.5 dB/mm poly-silicon absorption only. 2 dB extinction ratio through 700 µm is evaluated on a 10 Gb/s eye diagram, thanks to a VpLp =5.5 V.mm at 15 nm oxide thickness (1.2 pF/mm). Capacitive modulator power consumption is eventually optimized for 1 pJ/bit at 0.9 Vpp.

Cette thèse est consacrée à la conception et l'analyse théorique de différents composants en optique intégrée. Nous présentons un modèle de milieu effectif pour les cristaux photoniques (CPs) 2D qui rend compte des effets de surface, puis un algorithme pour la conception de réseaux antiréfléchissants grand-angle pour ces CPs. Ces réseaux permettent d'améliorer significativement la transmission à travers une lentille plate d'indice négatif. Nous proposons une nouvelle génération de circulateurs magnétooptiques compacts, fonctionnant dans un champ magnétique extérieur uniforme et constitués d'une cavité résonnante en anneaux circulaires couplée directement à des guides d'ondes standards. Nous généralisons la méthode multipolaire 2D aux matériaux gyrotropiques et la formulons sans « lattice sums » pour les structures périodiques. Enfin, nous décrivons en détail la méthode des éléments finis pour le calcul des modes propres des cavités 3D en anneaux circulaires et matériaux gyrotropiques.

Le développement de capteurs pour la détection de molécules présentes en très faible concentration est un enjeu sociétal et économique. Il permet de répondre à des besoins de mesure d’analytes dans les secteurs de la santé, de la défense ou encore de l’environnement. Les capteurs optiques intégrés possèdent plusieurs avantages permettant de répondre à ces problématiques. Dans cette thèse, des capteurs optiques intégrés à base de deux micro-résonateurs sont développés. Ils fonctionnent dans le domaine du proche infrarouge et permettent de détecter des molécules d’intérêt présentes en très faible quantité dans un échantillon biologique. Dans un premier temps, les critères de performances comme la sensibilité ou la limite de détection de micro-résonateurs seuls sont définis et optimisés. Puis, l’intérêt de transducteurs à base de deux micro-résonateurs cascadés ou insérés dans une structure interférométrique de type Mach-Zehnder permettant d’utiliser l’effet Vernier est mis en avant. Un algorigramme permettant d’optimiser la conception des transducteurs à effet Vernier est mis en place. Son efficacité est démontrée par la fabrication d’un transducteur à effet Vernier en matériaux polymères qui possède des performances dans l’état de l’art. Ensuite, des transducteurs en matériau silicium poreux sont étudiés. Ce matériau poreux permet d’augmenter la sensibilité du capteur en facilitant le greffage des analytes dans la structure. Les guides en silicium poreux pour la réalisation de micro-résonateurs simples sont optimisés théoriquement. L’avantage de l’utilisation conjointe de guides en polymères et en silicium poreux couplés sur la même puce intégrée, qui permet à la fois de réduire les pertes de propagation optique et d’augmenter la sensibilité du transducteur, ainsi qualifié d’hybride, est détaillé dans ce manuscrit. Les performances en sensibilité et limite de détection de transducteurs à effet Vernier hybride fabriqués à l’aide de guides en silicium poreux et en polymères sont étudiées théoriquement afin de prédire les performances de ces dispositifs. Enfin la mise en œuvre et les premiers essais de fabrication de transducteurs hybrides avec des guides en polymères et en silicium poreux sont détaillés. / The development of biosensors for the detection of extremely low concentration analytes is an economic and societal challenge. It ensures the needs to detect analytes in the economic fields of healthcare, defense and environment. Integrated optical sensors have several advantages to address these challenges. In this thesis, near infrared integrated biosensors for detection of low concentration molecules in biological samples are developed. They are based on two integrated micro-resonators transducers. Firstly, performances criterions such as sensitivity and limit of detection are defined and optimized for single micro-resonator biosensors. The advantage of micro-resonator transducers based on the Vernier effect are presented. To do so, a flowchart is developed in order to optimize the design of Vernier effect integrated transducers based on cascaded micro-resonators or micro-resonators positioned in a Mach-Zehnder interferometric structure. The efficiency of the design procedure is tested by the fabrication of a polymer transducer based on the Vernier effect with state of the art performances. Then, transducers based on porous silicon material are studied. This porous material eases the penetration and the grafting of the analytes in the sensor. Porous silicon waveguides are theoretically optimized for the fabrication of single micro-resonators. The interest of the implementation of polymer and porous silicon waveguides coupled on the same integrated chip, in order to reduce optical propagation losses and to increase sensor sensitivity, is demonstrated. The performances in sensitivity and limit of detection of hybrid porous silicon and polymer waveguides Vernier effect transducers are theoretically studied in order to estimate the performances of these integrated biosensors. Eventually, the design and the first fabrication trials of hybrid porous silicon and polymer waveguides transducers are presented.