L’optique intégrée sur verre est une technologie mature dont les nombreuses applica-tions vont des télécommunications optiques aux capteurs. L’amélioration constante des per-formances des dispositifs réalisés est basée sur une densification des fonctions et donc uneréduction des dimensions des guides d’onde ainsi qu’une augmentation de la densité de puis-sance que ceux-ci transportent. Dans ce travail, nous avons donc étudié les performancesultimes de la technologie de l’échange d’ions argent/sodium sur verre en matière de confi-nement et de longueur de propagation. En particulier, dans le cas de la génération d’effetsnon-linéaires, nous avons mis en évidence la nécessité de trouver un compromis entre ces deuxaspects. Nous démontrons alors que les performances des guides d’onde obtenus par échanged’ions argent/sodium sont intrinsèquement limitées par les pertes optiques attribuées à laprésence d’argent métallique. Ceci se traduit par la présence d’un seuil d’endommagementà fortes densités de puissances. Pour dépasser cette limitation nous avons proposé et ini-tié alors un changement radical de technologie dont nous présentons les premiers résultatsobtenus par échange thallium/sodium sur un verre spécifiquement développé. / Glass integrated optics is a key enabling technology which applications range from opticaltelecommunications to sensors. The steady improvement of devices performances is sustainedby an increasing functions density and thus smaller waveguides supporting higher powerdensities. In this work we investigate the ultimate performances in terms of confinementand propagation length of the silver/sodium ion-exchanged waveguides fabricated on glasstechnology. In particular, a trade-off between these two features has been highlighted inthe case of nonlinear effects. We then demonstrate that the performances of silver/sodiumion-exchanged waveguides are mainly limited by optical losses introduced by metallic silveraggregates even for buried low-losses waveguides. Hence the waveguides exhibit a damagethreshold for high power densities. To overcome this limitation a major technology changehas been initiate and we present the first results obtained by thallium/sodium ion exchange.

Les travaux de cette thèse apportent une contribution théorique et expérimentale aux études portant sur les cristaux photoniques planaires à fente pour l'exaltation locale du champ électromagnétique. Nous avons étudié la propagation de lumière lente dans des cristaux photoniques à fente en réalisant une ingénierie de dispersion et le confinement de la lumière dans des micro-cavités à fente structurée. Nous avons pour cela effectué des calculs 3D pour optimiser les propriétés de dispersion des cristaux photoniques en structurant la fente elle-même. Cette optimisation a permis d'observer un renforcement de la localisation du champ électromagnétique dans la fente en vue d'un remplissage par des matériaux fortement non linéaires. Nous avons développé un procédé de fabrication pour les cristaux photoniques dans des structures en silicium sur isolant basé sur la lithographie électronique et la gravure plasma. Le régime de lumière lente a été caractérisé expérimentalement et nous a permis de valider la méthode d'optimisation choisie. Des facteurs de ralentissement supérieurs à 10 ont été mesurés dans des dispositifs allant jusqu'à 1 mm de long. Des micro-cavités à fente avec des facteurs de qualité supérieurs à 20000 sur substrat SOI ont été réalisées. Nous avons effectué des mesures d'optique non linéaire dans des guides à cristaux photoniques à fente et avons montré que les effets non linéaires du silicium sont réduits malgré l'exaltation du champ électromagnétique comparés à ceux présents dans des guides à cristaux photoniques standards. Nous avons enfin étudié les pertes le désordre dans ce type de structure par mesures de réflectométrie optique à faible cohérence.

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.

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'émission paramétrique produite par des microcavités de semiconducteurs sous excitation résonnante. Ces systèmes, formés par des puits quantiques insérés au milieu d'une cavité optique de taille micrométrique, montrent des effets non-linéaires optiques. La lumière paramétrique ainsi générée a des propriétés extrêmement intéressantes, que nous avons étudié dans les microcavités unidimensionnelles, ou fils photonique, et dans les microcavités multiples. L'utilisation de ces échantillons structurés permet d'obtenir des faisceaux paramétriques équilibrés en intensité et sous incidence normale du faisceau de pompe, caractéristiques très attractifs pour des possibles applications futures. La production de deux faisceaux paramétriques, signal et complémentaire, observée sur les fils photoniques nous a poussé à étudier les corrélations entre ces deux faisceaux. A l'aide d'un interféromètre de type Hanbury Brown et Twiss nous avons réalisé des mesures de fonction de corrélation du second ordre. La statistique des photons de chacun des deux faisceaux et leurs corrélations mutuelles ont été étudiées. L'étude de l'émission paramétrique en régime OPO sur des microcavités planaires multiples a mis en évidence une brisure de symétrie et la formation de motifs issus des non-linéarités propres de notre système. Nous avons aussi mis en évidence la possibilité de contrôler de façon toute optique ces motifs, à la fois à l'aide de la polarisation linéaire du faisceau de pompe et à l'aide d'un deuxième faisceau, dit sonde. Avec cette étude nous sommes à même de marquer une analogie fondamentale entre les OPO de microcavité et les OPO de taille macroscopique.

L'interaction d'une impulsion laser intense (~10¹⁴ W /cm²) et de courte durée (femtoseconde) avec un gaz rare induit une polarisation hautement non-linéaire dans le domaine spectral XUV; les harmoniques d'ordre élevés. En raison des propriétés spécifiques du rayonnement harmonique et de ses applications, cette thématique est particulièrement riche et fertile. La production efficace d'harmoniques d'ordres élevés repose à la fois sur la réponse non-linéaire de l'atome unique et un comportement collectif.Le fil directeur des études présentées dans cette thèse est la compréhension et le contrôle de l'accord de phase ou du quasi accord de phase en présence d'une ionisation substantielle du gaz générateur. Dans ce contexte, nous montrons l'importance de la longueur de cohérence sur l'accord de phase en génération d'harmoniques. Nous étudions sa dépendance en fonction de la focalisation du laser, de la pression mais aussi sa dépendance temporelle liée à l'ionisation, effet que nous avons mis en évidence lorsqu'on a cherché à optimiser une double impulsion harmonique. Le travail de développement, sur la station LASERIX, de la source à double impulsion harmonique générée à partir d'un même milieu gazeux et avec un délai picoseconde variable est présenté. Cette source possède un véritable potentiel d'applications scientifiques, injectée dans un milieu amplificateur plasma qu'on appelle laser X, la double impulsion permettra de sonder la réponse temporelle de ce type de milieu. Par ailleurs, des expériences et des simulations menées sur la génération d'harmoniques en propagation guidée visent ainsi à étendre les spectres harmoniques vers les courtes longueurs d'ondes, zone spectrale pour laquelle le laser X à plasmas est émis. Ceci donnera l'accès à une source offrant des caractéristiques complémentaires des lasers X, sources développées en parallèle sur la station LASERIX.

Ce travail vise à l'élaboration d'un système d'amplification faible bruit de signaux hyperfréquences sur porteuse optique. Nous avons mené une étude expérimentale de l'amplification Raman dans des fibres optiques monomodes à 1550nm. La configuration contra-propageante -la moins bruitée- permet d'atteindre des gains nets de plus de 25dB, elle s'est aussi montrée plus performante en termes de RIN (relative intensity noise) qu'un EDFA commercial. Une analyse théorique de l'amplification Raman a été conduite dans le domaine spectral afin de quantifier le transfert de RIN de la pompe vers le signal. L'analyse a montré une décroissance de ce transfert à hautes fréquences que l'on considère un laser de pompe monochromatique faiblement modulé ou, à l'opposé, pseudo-incohérent. Par contre, à basses fréquences, le laser de pompe monochromatique faiblement modulé apporte un excès de bruit qui n'est pas présent avec la pompe pseudo-incohérente. Ce type de source de pompe peut donc présenter un intérêt tout particulier pour le développement d'amplificateurs Raman faible bruit pour les liaisons opto-hyperfréquences. Une autre piste envisagée est la réduction du bruit d'émission spontanée amplifiée. Nous avons étudié les moyens à mettre en œuvre pour parvenir à diminuer ce bruit. L'utilisation de deux lasers de pompe de même puissance présentant un faible décalage spectral (devant la largeur de la transition Raman) doit permettre d'atteindre ce résultat. Les descriptions holographique, "optique non linéaire" ou quantique de la diffusion Raman bifréquence indiquent que pour une réduction effective du bruit d'émission spontanée, il faut que les deux pompes soient opposées en amplitude.

Mon projet de thèse est étroitement lié au projet ANR NOUGAT, " Nouvel OUtil pour la chirurgie du Glaucome Assistée par laser femtoseconde et Tomographie par cohérence optique " (ANR-08-TECS-012), coordonné par le groupe " Optique, Photonique, Santé " (OPS) du Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA), et dont les partenaires sont : l'hôpital Hôtel-Dieu de Paris, le laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique Graduate School, la société Amplitude Systèmes. Le glaucome est une maladie oculaire associée à une pression intraoculaire élevée. Les traitements chirurgicaux classiques visent à créer des canaux filtrants dans la sclère pour baisser la pression, mais les bénéfices ne sont souvent que temporaires. La greffe de cornée est indiquée lors d'opacités du tissu ou pathologies affectant la transparence cornéenne. Elle est largement pratiquée mais certaines limites existent, notamment lorsque la découpe doit se faire en profondeur d'un tissu pathologique. Mes travaux ont d'abord consisté à caractériser les trois principaux éléments constitutifs du segment antérieur de l'oeil : la cornée, la sclère et le cristallin. Suite aux recherches précédentes menées par notre équipe, la diffusion de la cornée est maintenant un phénomène compris et quantifiable. L'étude du tissu scléral a permis de mettre en évidence une fenêtre de relative transparence optique centrée à la longueur d'onde de 1650 nm ; des expériences préliminaires ont été menées sur le cristallin. Grâce à l'optimisation de sources laser existantes au sein de l'équipe, en particulier du générateur paramétrique optique, de nouvelles séries d'incisions ont ensuite été réalisées dans des cornées humaines (obtenues auprès de la Banque Française des Yeux), avec des longueurs d'onde situées entre 1500 et 1800 nm. Les analyses histologiques et par microscopie électronique en transmission et à balayage de ces découpes confirment que l'utilisation d'une longueur d'onde entre 1600 et 1700 nm réduit le phénomène de diffusion dans le tissu par rapport à la longueur d'onde appliquée dans les systèmes commerciaux (1000 nm). Par ailleurs, un dispositif d'imagerie par tomographie par cohérence optique (OCT) a été développé en étroite collaboration avec l'Institut d'Optique Graduate School. Utilisant une longueur d'onde de 1315 nm, ce dispositif a une résolution de l'ordre de 5 μm, ce qui est compatible avec notre application ; cependant, il présente encore une rapidité d'acquisition moyenne. Les structures cornéennes ont été imagées avec trois dispositifs OCT disponibles, ce qui a permis de comparer leurs avantages et leurs inconvénients en vue de la combinaison de ce système d'imagerie à la source laser et d'une éventuelle application clinique. Mes travaux de recherche ont finalement permis d'optimiser le développement de systèmes chirurgicaux pour les tissus du segment antérieur de l'oeil et d'approfondir nos connaissances sur l'optique de ces tissus, ce qui vient compléter les études antérieures réalisées au sein de mon équipe de travail et ouvre la voie à des applications futures.

L'objectif de cette thèse est d'étudier une technique de combinaison cohérente de faisceaux : l'amplification paramétrique optique (OPA) à multiple pompes. Cette technique permet de transférer instantanément l'énergie de nombreuses pompes en un unique faisceau signal sans stockage d'énergie, et ainsi s'affranchissant d'effets thermiques dans le milieu amplificateur. Ceci peut s'avérer intéressant pour combiner l'énergie de multiples lasers à fibre et réaliser l'amplification à forte cadence de lasers très énergétiques ou d'impulsions à spectre large. A l'aide d'un code de calcul général et d'une étude expérimentale utilisant comme cristal non linéaire du BBO ou du LBO, nous calculons dans un premier temps la localisation des pompes autour du signal à amplifier, ainsi que les tolérances angulaires correspondantes qui déterminent la criticité d'alignement d'une telle configuration. Nous nous intéressons ensuite aux mécanismes de recombinaisons parasites entre une pompe et l'idler correspondant à une autre pompe. Après avoir démontré expérimentalement que ces recombinaisons peuvent dégrader les caractéristiques spatiales et spectrales du signal amplifié, nous montrons qu'il est possible d'éliminer ces risques de couplages néfastes en écartant suffisamment les pompes entre elles. Une modélisation originale de l'OPA multi-pompes suggère de relier ces phénomènes parasites aux effets des réseaux résultant des interactions entre les différentes pompes. La dernière partie présente l'expérience d'OPA à 5 pompes qui nous a permis d'atteindre un rendement de transfert énergétique des pompes vers le signal de 27%, et obtenir ainsi un signal plus énergétique que chaque pompe prise séparément.

Ce travail est consacré 'a l'étude des propriétés optiques non linéaires de PPLN:5%MgO et CdSiP2, la motivation étant le développement de sources paramétriques optiques dans les seconde et troisième bandes de transmission de l'atmosphère. Ces deux cristaux ont été polis sous forme de sphère pour réaliser des mesures de génération de second harmonique et de génération par différence de fréquences dans toutes les directions en gardant une incidence normale. Les expériences sur sphère de PPLN:5%MgO ont d'abord permis de valider la théorie du quasi-accord de phase angulaire (QAPA), une configuration générale correspondant 'a une propagation des ondes selon une direction quelconque par rapport au vecteur réseau. Nous avons expérimentalement confirmé que le QAPA permet l'existence d'un domaine spectral plus 'étendu et de plus grande acceptance spectrale que l'accord de phase par bir'efringence. Toutes ces mesures ont aussi permis d'affiner les équations de Sellmeier de PPLN:5%MgO. Les propriétés non linéaires exhaustives de CdSiP2, un nouveau cristal non linéaire, ont été mesurées sur toute sa fenêtre de transparence. La possibilité de générer des longueurs d'onde au-delà de 8 μm par différence de fréquences impliquant une onde 'a 1.064 μm a été confirmée. Les mesures des directions d'accord de phase de génération de second harmonique de différence de fréquences ont permis d'affiner les équations de Sellmeier. Enfin, le seuil de dommage optique de CdSiP2 a été mesuré et comparé 'a AgGaS2, qui est son principal concurrent pour la génération dans l'infrarouge au-delà de 8 μm. Tous les résultats obtenus constituent une solide base pour les prochaines études consacrées 'a la conception de dispositifs paramétriques optiques pour l'infrarouge. Mots clés : génération paramétrique infrarouge, quasi-accord de phase angulaire, optique non linéaire.

La première partie de ce travail présente quelques éléments théoriques de l'optique non linéaire en rapport avec les oscillateurs paramétriques optiques en régime nanoseconde. Après un court rappel historique sur l'optique non linéaire, nous donnons les équations de propagation de trois ondes couplées en milieu non linéaire, nous exposons le principe de l'accord de phase par biréfringence et celui du quasi-accord de phase, puis nous donnons des solutions analytiques aux équations de propagation dans le cas des ondes planes. Nous présentons ensuite les différents processus paramétriques du deuxième ordre permettant d'exploiter les propriétés des cristaux non linéaires. La deuxième partie présente le contexte de l'étude menée dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique et la société CILAS. Après un état de l'art sur les expériences publiées concernant la génération d'ondes entre 2 mM et 5 mM, nous présentons les deux configurations que nous étudions par la suite. Dans la troisième partie nous développons les expériences menées sur la première configuration n'utilisant que des cristaux en accord de phase par biréfringence fonctionnant à proximité de la dégénérescence. Son principe réside en la mise en série d'un OPO à base de KTP et d'un OPO à base de ZGP. Pour le premier OPC nous démontrons l'efficacité de l'utilisation de plusieurs cristaux de KTP montés en compensation de double réfraction. Le rendement énergétique de 1 mM vers l'onde complémentaire atteint 29 %. Nous utilisons cet OPO en tant que source de pompage pour un OPO à base de ZGP, ce qui nous permet d'atteindre un rendement énergétique de 1 mM vers la bande 3-5 mM de 12 %. La quatrième partie concerne les expériences menées sur la seconde configuration, constituée de deux OPO mis en parallèle à base de cristaux en quasi-accord de phase. Nous évaluons successivement les performances d'OPO à base de PPKTP, PPLN puis PPRTA, à basse et à haute cadence.