Nous présentons dans ce mémoire deux travaux expérimentaux basés sur la formation d'images jumelles par des photons jumeaux : la mise en évidence d'un paradoxe de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) sur des paires uniques d'images jumelles, et la réalisation d'une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Les photons intriqués générés par amplifications paramétrique du bruit quantique permettent la formation d'images à la distribution de photons analogue dans le plan image, et symétrique dans le plan de Fourier : les images jumelles. Dans un premier chapitre nous proposons une description préalable de ces images jumelles, basée sur l'étude des propriétés des faisceaux jumeaux, ainsi que leur acquisition par des caméras EMCCD dans un régime de comptage de photons. Dans le second chapitre, nous mettons en évidence un paradoxe EPR sur des paires uniques d'images jumelles, sans aucun recours à des moyennes temporelles ou propriétés issues de l'ensemble des images. Nous montrons que les intercorrélations de seules deux paires d'images jumelles, l'une acquises dans le plan image et l'autre dans le plan de Fourier, sont suffisantes pour obtenir un degré de paradoxe élevé.Dans le dernier chapitre, nous montrons une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Dans cette expérience, les images jumelles sont utilisées pour multiplexer spatialement un signal temporel non répétable. Lorsque l'acquisition de ce signal cause la perte de sa résolution temporelle, les corrélations dues aux photons jumeaux permettent sa reconstitution. / We present in this thesis two experimental works based on the formation of twin images by twin photons : evidence of Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradox on single pairs of twin images, and the demonstration of quantum temporal ghost imaging.Entangled photons generated by spontaneous parametric down conversion are used to generate images with a similar distribution of photons in the image plane, or symmetrical in the Fourier plane: the twin images. In a first chapter, we propose a description of the twin images, based on the study of the properties of twin beams, and their acquisition by EMCCD cameras in the photon counting regime.In the second chapter we provide a test of the EPR paradox in single pairs of twin images, without any temporal averaging or properties issued of a set of several images. We show that the intercorrelations of only two pairs of twin images, the first one acquired in the image plane and the other one in the Fourier plane, are sufficient to obtain a high degree of paradox.In the last chapter, we show an experiment of quantum temporal ghost imaging. In this experiment, twin images are used to spatially multiplex a nonreproducible time signal. Although it is acquired without temporal resolution, the photons correlations allow its retrieval.

De nombreuses applications militaires ou civiles, telles que la spectroscopie dans les bandes de transmission de l’atmosphère (bandes 3-5µm et 8-12µm), nécessitent de disposer de sources émettant dans le moyen infrarouge (IR). Les travaux de cette thèse portent sur la génération de rayonnement dans la bande 3-5µm par amplification paramétrique (mélange à quatre ondes) dans les fibres optiques en verres fluorés et en verres de chalcogénures. La première partie de ce travail a été consacrée à l’étude théorique et à la modélisation des conditions d’accord de phase et du gain paramétrique dans des fibres à saut d’indice monomodes en verres fluorés ZBLAN et verres de chalcogénures As2S3 et As2Se3. La nature des résultats obtenus nous a conduit à étudier théoriquement le potentiel de l’accord de phase multimode dans les fibres en verres de chalcogénures. La deuxième partie de ce travail a porté sur la modélisation de l’amplification paramétrique dans des fibres en verres de chalcogénures microstructurées à géométrie hexagonale. Pour ce faire, un modèle simplifié de la propagation dans les fibres microstructurées hexagonales a été développé : le modèle de l’indice effectif de gaine (EIM). Il a ensuite été comparé à une méthode de résolution aux éléments finis. Grâce à cette comparaison, nous avons pu améliorer la précision du modèle EIM en déterminant la valeur de plusieurs paramètres empiriques. Ce modèle nous a alors permis de prédire l’efficacité du processus d’amplification paramétrique dans les fibres microstructurées. L’ensemble de ces études théoriques a permis d’identifier les fibres les plus adaptées à la conversion de fréquence vers la bande 3-5µm. Enfin, nous avons réalisé un banc de mesure de la dispersion chromatique des fibres, ainsi que le dimensionnement d’un convertisseur de fréquence utilisant les fibres identifiées dans l’étude théorique. / Various civil or military applications, such as spectroscopy in the atmospheric transparency windows (3 – 5 µm and 8 – 12 µm ranges), require the use of mid-infrared emitting laser sources.The work presented in this thesis is about light generation in the 3 – 5 µm range by parametric amplification (four-wave mixing) in fluoride and chalcogenide fibers. The first part of the study is devoted to modelizations of phase-matching condition and parametric gain in monomode step-index ZBLAN fluoride fibers as well as As2S3 and As2Se3 chalcogenide fibers. The results obtained in this modelization led to the theoretical study of multimode phase-matching conditions in chalcogenide fibers.The second part of the study presents the modelization of parametric amplification in hexagonal microstructured chalcogenide fibers. A simplified model, called the effective index method (EIM), has been developed and compared to the finite element method. Thanks to this comparison, the accuracy of the EIM model was improved through the determination of several empirical parameters. Using the improved EIM model, we have been able to predict the parametric amplification efficiency in microstructured fibers. Thus, all those theoretical studies allowed us to identify the most adapted fibers for frequency conversion in the 3 – 5 µm range. Eventually, we realized an experimental bench to measure the chromatic dispersion of optical fibers, and we suggested an experimental architecture using the fibers we had indentified in the theoretical study.

Les liens optiques permettent de disséminer une fréquence de référence ultra-stable à de nombreux laboratoires de recherche pour des mesures de très haute précision en métrologie et au-delà. Nous avons démontré premièrement une extraction simple d’un signal ultra-stable en différents points d’une liaison optique urbaine de 92 km, avec une stabilité de fréquence relative à 1 s de 1, 3 × 10−15 et sensiblement dégradée sur le long terme par les effets thermiques diurnes. Nous avons développé et testé un deuxième dispositif amélioré avec un montage interférométrique compact et activement thermalisé et une diode laser permettant de disséminer le signal vers un lien secondaire dont le bruit est activement compensé. Ces deux dispositifs permettront de disséminer le signal à de multiples utilisateurs en région parisienne et sur le réseau REFIMEVE+. Nous avons deuxièmement évalué les performances d’une méthode de type Two-Way pour la comparaison de deux références de fréquence par fibre optique. Nous avons testé la sensibilité de cette comparaison sur une boucle fibrée de télécommunication de 100 km en propagation unidirectionnelle puis bidirectionnelle, avec une excellente stabilité de la fréquence grâce à une très bonne réjection du bruit de la fibre. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d’un réseau métrologique à l’échelle nationale et internationale pour la dissémination des meilleures horloges optiques. / Optical frequency links give the possibility to disseminate an ultra-stable frequency reference to many research laboratories for precise measurements as performed in frequency metrology and in applied and fundamental physics. We demonstrated first a simple branching network setup dropping an ultra-stable signal at different positions along an urban optical link of 92 km, that exhibits a relative frequency stability of 1.3×10−15 at 1 s integration time, limited by long-term diurnal thermal effects. We developed and tested an improved setupwith a compact and thermalized optical interferometer and a laser diode used to feed a secondary link, which fiber noise is compensated. These two setup open the way to multiple-users dissemination in Paris area and on the REFIMEVE+ network.Second we demonstrated optical frequency comparison using a two-way method. We tested the sensitivity of this comparison over a 100 km telecommunication fiber loop network using either unidirectional or bidirectional propagation, with an excellent frequency stability thanks to the very good rejection of the fiber noise.These results open the way to high-resolution frequency comparison of the best optical clocks over national or international fiber networks.

L’étude intitulée « optical properties of thin layers of transition metal dichalcogenides » vise les phénomènes physiques émergeant à la limite de la bidimensionnalité, lorsque l’épaisseur du composé ciblé est à l’échelle atomique. Les effets de la dimensionnalité réduite sur les propriétés physiques furent initialement explorés dans le graphène. Les études concernant ce composé se concentrent surtout sur ses propriétés de transport puisque le graphène lui-même n’a pas bande interdite. Les sc-TMD, en plus de présenter une structure atomique et électronique similaire au graphène (vallée aux points K dans la zone de Brillouin), peuvent également être produit sous forme de couche monoatomique. Ainsi, plusieurs études révélèrent que ces composés en couche mince combinent des propriétés découlant de leur caractère 2D en plus des caractéristiques typiques des semi-conducteurs. De plus, la dimensionnalité de ces composés joue un rôle important dans la structure électronique. Plus précisément, les sc-TMD présentent dans le régime tridimensionnel un gap indirect qui devient direct lorsque les composés sont sous la forme d’une monocouche. Cette thèse est une étude complète des propriétés optiques des composés sc-TMD. Le manuscrit en question est divisé en cinq parties : trois sections principales précédées par une introduction. L’ensemble est complété par une annexe présentant des études complémentaires sur un autre composé 2D : le nitrure de bore hexagonal (h-BN).Introduction :Les propriétés fondamentales des composés étudiés sont présentées en mettant l’accent sur celles qui jouent un rôle important dans la réponse optique de sc-TMD. Plus précisément, on y retrouve des informations sur la structure cristalline et la structure de bandes électroniques. Cette section détaille également le processus de préparation des échantillons ainsi que les divers montages expérimentaux utilisés.Chapitre 1 : caractérisation optique de base des excitons en résonance dans les couches et les multicouches de sc-TMD.La réponse optique des composés (surtout le MoSe2 et le WSe2) obtenue par spectroscopie de réflexion et par spectroscopie d’émission est interprétée. En particulier, l’impact du nombre de monocouches et de la température sur celle-ci est discuté. De plus, une étude complémentaire de ces propriétés optiques résolue temporellement y est insérée.Chapitre 2 : Spectroscopie Zeeman des excitons résonants sous champ magnétique.L’évolution des résonances optiques en fonction d’un champ magnétique appliqué perpendiculairement aux couches est l’objet de cette section. Un modèle phénoménologique décrivant la dépendance en champs magnétique de l’énergie des états électroniques est dérivé directement des résultats expérimentaux présentés dans cette section. L’effet de pompage optique est également étudié dans la monocouche de WSe2, effet qui est très sensible aux champs magnétiques.Chapitre 3 : Émetteurs de photons uniques dans les couches minces de sc-TMD.La découverte de raies d’émission fines et localisées sur de minces cristallites de sc-TMD est présentée, suivie d’une étude approfondie sur leur nature et leurs propriétés. Entre autres, leur évolution en fonction de la température, leur sensibilité aux champs magnétiques appliqués et leur polarisation sont discutées. Finalement, la spectroscopie de corrélation de photon est utilisée pour vérifier le caractère « source de photon unique » de ces émetteurs.Annexe A : Émetteurs de photons uniques dans le nitrure de bore hexagonal.Le h-BN partage de nombreuses caractéristiques avec les sc-TMD tout en se distinguant de ceux-ci par la présence d’un gap électronique significativement plus grand. Certaines régions cristallines se comportent comme des défauts ponctuels, dans les matériaux caractérisés par leur large gap, en présentant des raies d’émission fines. Ces régions partagent une similarité frappante avec les émetteurs de photons uniques observés dans le WSe2. / The research reported in the thesis entitled ‘Optical properties of thin layers of transition metal dichalcogenides’ focuses on physical phenomena which emerge in the limit of two-dimensional (2D) miniaturisation when the thickness of fabricated films reaches an atomic scale. The importance of such man-made structures has been revealed by the dynamic research on graphene: a single atomic plane of carbon atoms arranged in honeycomb lattice. Graphene is intrinsically gapless and therefore mainly explored with respect to its electric properties. The investigation of semiconducting materials which can also display the hexagonal crustal structure and which can be thinned down to individual layers, bridges the concepts characteristic of graphene-like systems (K-valley physics) with more conventional properties of semiconductors. This has been indeed demonstrated in a number of recent studies of ultra-thin films of semiconducting transition metal dichalcogenides (sc-TMD). Particularly appealing, from the point of view of optical studies, is a transformation of the bandgap alignment of sc-TMD films, from the indirect bandgap bulk crystals to the direct bandgap system in single layers. The presented thesis work provides a comprehensive optical characterisation of thin structures of sc-TMD crystals. The manuscript is divided into five parts: three main chapters with a preceding introduction and the appendix reporting the supplementary studies of another layered material: hexagonal boron nitride.Introduction. The fundamental properties of the investigated crystals are presented, especially those which are important from the point of view of optical studies. The discussion includes information on the crystal structure, Brillouin zone and electronic band structure. Also, the general description of the samples’ preparation process and experimental set-up is provided.Chapter 1. Basic optical characterisation of excitonic resonances in mono- and multi-layers of sc-TMDs. The optical response, as seen in the reflectance and luminescence spectra of thin sc-TMDs is analysed (mostly for MoSe2 and WSe2 materials). The impact of the number of layers and temperature on the optical resonances is studied and interpreted in details. The complementary time-resolved study is also presented.Chapter 2. Zeeman spectroscopy of excitonic resonances in magnetic fields. The evolution of the optical resonances in an external magnetic field, applied perpendicularly to the layers of sc-TMD materials is investigated. Based on these results, a phenomenological model is developed aiming to describe the linear with magnetic field contributions to the energy of individual electronic states in fundamental sub-bands of sc-TMD monolayers. Furthermore, the effects of optical pumping are investigated in WSe2 monolayers, which can be tuned by tiny magnetic fields.Chapter 3. Single photon sources in thin sc-TMD flakes. The discovery of localised narrow lines emitting centres has been in thin sc-TMD flakes is presented. An investigation of their fundamental properties is discussed. This includes the measurements of temperature and magnetic field evolution of the photoluminescence lines, and the analysis of the polarisation properties and the excitation spectra as well as photon correlation measurements.Appendix A. Single photon emitters in boron nitride crystals. Hexagonal boron nitride also belongs to the family of layered materials, but it exhibits much larger band gap than semiconducting transition metal dichalcogenides. A narrow lines emitting centres has been observed in boron nitride structures, which reveal multiple similarities to defect centres in wide gap materials. They are characterised in a similar manner as the emitting centres in WSe2.

L’imagerie moléculaire occupe une place majeure dans le domaine de la recherche préclinique. Parmi les modalités existantes, les techniques optiques fondées sur la détection d’un rayonnement visible ou proche infrarouge sont les plus récentes et sont principalement représentées par les méthodes de tomographie optique de luminescence. Ces méthodes permettent une caractérisation 3D d’un milieu biologique par la reconstruction de cartes de concentration ou la localisation de marqueurs luminescents sensibles à des processus biologiques et chimiques se déroulant à l’échelle de la cellule ou de la molécule. La tomographie de luminescence se fonde sur un modèle de propagation de la lumière dans les tissus, un protocole d’acquisition du signal en surface du milieu et une procédure numérique d’inversion de ces mesures afin de reconstruire les paramètres d’intérêts. Ce travail de thèse s’articule donc autour de ces trois axes et apporte un élément de réponse à chacun des problèmes. L’objectif principal de cette étude est d’introduire et de présenter des outils d’évaluation des performances théoriques d’une méthode de tomographie optique. L’un des aboutissements majeurs est la réalisation de reconstructions tomographiques expérimentales à partir d’images acquises par un imageur optique conçu pour l’imagerie planaire 2D et développé par la société Quidd. Dans un premier temps nous abordons la théorie du transport en milieu diffusant afin de poser les concepts et outils sur lesquels vont s’appuyer l’ensemble des travaux. Nous présentons particulièrement deux modèles de propagation différents ainsi que les méthodes de résolution et les difficultés théoriques qui leur sont liées. Dans une deuxième partie nous introduisons les outils statistiques utilisés pour caractériser les systèmes tomographiques et leur résolution potentielle. Nous définissons une procédure et nous l’appliquons à l’étude de quelques situations simples en tomographie de luminescence. La dernière partie de ce travail présente la mise au point d’une procédure d’inversion. Après avoir présenté le cadre théorique dans lequel cette procédure s’inscrit nous la validons à partir de données numériques avant de l’appliquer avec succès à des mesures expérimentales. / Molecular imaging is a major modality in the field of preclinical research. Among the existing methods, techniques based on optical detection of visible or near infrared radiation are the most recent and are mainly represented by luminescence optical tomography techniques. These methods allow for 3D characterization of a biological medium by reconstructing maps of concentration or localisation of luminescent beacons sensitive to biological and chemical processes at the molecular or cellular scale. Luminescence optical tomography is based on a model of light propagation in tissues, a protocol for acquiring surface signal and a numerical inversion procedure used to reconstruct the parameters of interest. This thesis is structured around these three axes and provides an answer to each problem. The main objective of this study is to introduce and present the tools to evaluate the theoretical performances of optical tomography methods. One of its major outcomes is the realisation of experimental tomographic reconstructions from images acquired by an optical imager designed for 2D planar imaging and developed by the company Quidd. In a first step we develop the theory of transport in scattering medium to establish the concept on which our work will rely. We present two different propagation models as well as resolution methods and theoretical difficulties associated with them. In a second part we introduce the statistical tools used to characterise tomographic systems. We define and apply a procedure to simple situations in luminescence optical tomography. The last part of this work presents the development of an inversion procedure. After introducing the theoretical frameworkwe validate the procedure fromnumerical data before successfully applying it to experimentalmeasurements.

L’identité des cellules souches et des progéniteurs neuraux, comme celle de tout type cellulaire, est caractérisée par des signatures moléculaires spécifiques qui dépendent de l’environnement dans lesquelles les cellules se trouvent. Ainsi, il est primordial d’étudier ces cellules dans un contexte in vivo. Le toit optique du poisson zèbre est un modèle idéal pour ce type d’étude. En effet, c’est une large partie du cerveau moyen localisée en position dorsale et qui présente la particularité de croitre de manière orientée tout au long de la vie de l’animal grâce aux cellules neuroépitheliales présentes à sa périphérie (dans la « peripheral midbrain layer », PML). De plus, les progéniteurs neuroépithéliaux, les progéniteurs lents et les cellules post-mitotiques sont localisées dans des domaines adjacents du toit, conséquence de sa croissance orientée. Chaque population cellulaire est marquée par des profils d’expression particuliers. Ainsi, une recherche dans la base de données ZFIN nous a permis d’identifier environ 50 gènes ayant une forte expression dans les cellules de la PML (progéniteurs neuroépithéliaux). De façon intéressante, beaucoup de « gènes PML » codent pour des facteurs de la biogenèse des ribosomes. L’accumulation de ce type de transcrits dans les progéniteurs lents était surprenante. Ainsi, au cours de mon doctorat, j’ai étudié le rôle spécifique des facteurs de la biogenèse des ribosomes dans le maintien des cellules neuroepithéliales de la PML. En effet, bien qu’il soit généralement admis que la biogenèse des ribosomes est un processus essentiel dans toutes les cellules, il a été récemment démontré que plusieurs facteurs nécessaires à la synthèse des ribosomes ont un rôle tissu-spécifique. Par exemple, Notchless est requis pour la survie de la masse cellulaire interne de l’embryon préimplantatoire de souris. Récemment, des expériences de knock-out conditionnel chez la souris ont montré que Notchless était nécessaire au maintien des cellules souches hématopoïétiques et intestinales, mais pas à celui des cellules différenciées. En effet, en absence de Notchless dans les cellules souches, la grosse sous-unité ribosomique (60S) ne peut pas être exportée hors du noyau et s’accumule. Au contraire, dans les cellules différenciées, où Notchless n’est pas indispensable, cette accumulation n’est pas observée. J’ai commencé une étude fonctionnelle basée sur la surexpression conditionnelle de la forme dominante-négative du gène notchless homolog 1 (nle1, homologue poisson zèbre du gène Notchless mammifère). Selon mon hypothèse, les progéniteurs lents de la PML (Slow amplifying progenitors, SAPs) pourraient avoir besoin de Notchless pour la maturation de la sous-unité 60S, contrairement aux cellules différenciées qui pourraient survivre après la délétion de ce gène. Des expériences sont encore en cours, mais nous avons déjà pu démontrer que nle1 joue un rôle crucial dans la survie des progénitéurs neuroépithéliaux de la PML. En parallèle, j’ai étudié des lignées de poisson-zèbre mutantes pour des gènes codants pour des composants du complexe de snoRNP (box C/D small nucleolar ribonucleoprotein : Fibrillarine, Nop56, Nop58). Les trois mutants présentent des phénotypes similaires, en particulier une apoptose massive et une dérégulation du cycle cellulaire dans l’ensemble du toit optique à 48 heures de développement. Étonnamment, ces résultats sont en faveur d’un arrêt du cycle cellulaire à la transition G2/M. Ainsi, cette étude pourrait permettre de mettre en évidence de nouveaux mécanismes d’arrêt du cycle cellulaire lors de défauts de biogenèse des ribosomes. L’ensemble de ces résultats montrent comment les facteurs de la biogenèse des ribosomes (tout comme le processus) contribue à la régulation fine de l’homéostasie cellulaire, et donc à la détermination de l’identité des cellules progénitrices. / In neural stem cells (NSCs) and neural progenitors (NPs), as in other cell types, cell identity is characterized by specific molecular signatures that depend on the environment provided by neighboring cells. Thus, it is important to study progenitor cells in vivo. The zebrafish optic tectum (OT) is a suitable model for that purpose. Indeed, this large structure of the dorsal midbrain displays life-long oriented growth supported by neuroepithelial cells present at its periphery (in the peripheral midbrain layer, PML). Moreover, neuroepithelial progenitors, fast-amplifying progenitors and post-mitotic cells are found in adjacent domains of the OT, as a consequence of its oriented growth. Each cell population is marked by concentric gene expression patterns. Interestingly, a datamining of the ZFIN gene expression database allowed us to identify around 50 genes displaying biased expression in PML cells (neuroepithelial progenitors). Interestingly, many “PML genes” code for ribosome biogenesis factors. The accumulation of transcripts for such ubiquitously expressed genes in SAPs was very surprising so during my thesis I examined whether ribosome biogenesis may have specific roles in these neuroepithelial cells, while improving our knowledge. Indeed, although it is generally admitted that ribosome biogenesis is essential in all cells, it has been shown quite recently that several components of the ribosome biogenesis have tissue restricted roles. For example, Notchless is required for the survival of the inner cell mass in the preimplantation mouse embryo. More recently, conditional knock-out experiments in mice showed that Notchless is necessary for the maintenance of hematopoietic stem cells and intestinal stem cells, but not for committed progenitors and differentiated cells. Indeed in the absence of Notchless in stem cells, the immature 60S subunit cannot be exported from the nucleus and accumulates. This does not happen in differentiated cells where Notchless is dispensable. I started a functional study based on the conditional overexpression of a dominant-negative form of the gene notchless homolog 1 (nle1, the zebrafish homolog of the mammalian gene Notchless). My hypothesis was that the PML slow-amplifying progenitors (SAPs) may require Notchless for the maturation of the 60S subunit, but not the differentiated cells which could survive also after the deletion of this gene. Experiments are still underway. So far we could demonstrate that nle1 has a crucial role in SAPs. I studied zebrafish mutants for genes coding for the components of the box C/D small nucleolar ribonucleoprotein (snoRNP) complex (Fibrillarin, Nop56, Nop58). Mutants displayed a similar phenotype with massive apoptosis and a deregulation of the cell cycle in the whole tectum at 48hpf. Our data suggest a cell cycle arrest at the G2/M transition, highlighting novel possible mechanisms of cell cycle arrest upon impaired ribosome biogenesis. All together, these data highlight how ribosome biogenesis factors and the whole ribosome biogenesis contribute to the fine regulation of cell homeostasis thereby contributing to the determination of progenitor cell identity.

L’objet de cette étude concerne l’exploration, à la fois sur le plan théorique et expérimental, de la possibilité d’utilisation des métamatériaux pour des applications dans le domaine de la photonique aux longueurs d’onde télécoms (λ=1.5µm). L’un des principaux objectifs adressés dans le cadre de la thèse est de réaliser l’ingénierie de l’indice effectif en utilisant des résonances des plasmons de surface localisés des métamatériaux métallo-diélectriques. Deux cas particulièrement importants du point de vue de la réalisation technologique sont considérés :• Propagation en espace libre quand une onde lumineuse sous incidence normale ou oblique interagit avec une surface diélectrique recouverte d’une monocouche de métamatériaux.• Propagation dans une configuration guide d’onde avec une monocouche de métamatériaux à la surface d’un guide d’onde en Silicium.Les résultats des modélisations et des mesures expérimentales montrent que les propriétés optiques d’une mono-couche de métamatériau peuvent être décrites par celle d’une couche homogène avec un certain indice effectif. L’épaisseur de cette couche est égale à celle des motifs métalliques, à condition qu’elle soit inférieure à quelques dizaines de nm. Pour des faibles facteurs de remplissage en surface, l’indice de réfraction d’une telle couche suit l’approximation de Maxwell-Garnett. Cet indice effectif ne dépend pas de l’angle d’incidence ni de l’orientation de la polarisation de la lumière (perpendiculaire ou dans le plan d’incidence). Au voisinage de la fréquence de résonance pour un facteur de remplissage de métamatériau de 20% en surface on obtient un indice de réfraction très élevé : neff=10. Cet indice de réfraction est plusieurs fois supérieur à celui qu’on trouve dans des matériaux naturels. L’adaptation de cette approche à configuration guidée à utiliser une structure hybride composée d’une couche de métamatériau à la surface d’un guide d’onde en Silicium. Les travaux réalisés ont permis de démontrer la possibilité d’effectuer l’ingénierie de l’indice effectif et de contrôler le niveau des pertes d’un tel guide d’onde hybride en utilisant des métamatériau métallo-diélectriques à base des fils d’Au de 200X50X50nm. Le contraste d’indice au voisinage de la ligne de la résonance donné par des modélisations et confirmé expérimentalement est de ±1.5, soit plus que ce que l’on peut obtenir avec un guide Silicium gravé. Ce résultat représente une première démonstration sur le plan international de fonctionnement des métamatériaux en configuration guidée.De plus, en contrôlant l’orientation des motifs de métamatériaux, on peut réaliser un indice anisotrope. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives très prometteuses pour la réalisation de dispositifs en optique guidée utilisant les transformations d’espace. / The subject of the PhD thesis deals with metamaterials for photonic applications. The main objective is to investigate the potential of metallic metamaterials for building optical functions at NIR optical frequencies. A significant part of the work is focused on the engineering of the metamaterials effective index associated with localized plasmon resonances. Two configurations of particular importance for fabrication technology are considered:• Free space light propagation, with the incident electromagnetic wave interacting with single metafilms at either normal or oblique incidence. • Guided wave configuration, with single metamaterial layer placed on top of dielectric waveguide.For the free space configuration, the validity of the effective medium approach was investigated both numerically and experimentally with the example of metamaterials composed of either gold cut wires or split ring resonators and continuous wires on silicon substrate. On the basis of these examples it was shown that the metafilm behavior is indeed analogous to that of a homogeneous layer. The thickness of this layer is that of the deposited metal. The validity of this conclusion was verified with respect to a number of criteria consistent with the Maxwell-Garnett approximation. It was shown in particular that near the resonance frequency the effective index of the metafilm layer can reach very high values neff=10 that cannot be attained with natural materials.The effective medium approach developed for a single metamaterial layer in free space configuration was further extended to a guided wave configuration. The objective is to achieve an efficient control over the flow of light in the waveguide using effective index variations induced by metamatarial resonances. The possibility of achieving a significant effective index variation with a silicon slab waveguide covered by 200X50X50nm cut wires was investigated by numerical modeling and confirmed by experimental results. The magnitude of local index variation in the vicinity of the resonance frequency deduced from experimental data is as high as ±1.5. The possibility for controlling the local effective index at the nanoscale can be used in transformation optics applications. The hybrid metamaterial guided wave configuration may become a promising alternative to the bulk multi-layers metamaterial structures in the near infrared domain.

Ce travail vise à concevoir un modulateur optique assisté par plamsons, compatible CMOS et à faible consommation électrique. L’électro-absorption, basée sur l’effet Franz-Keldysh dans le germanium, a été choisie comme principe de modulation pour réduire la taille du dispositif et la consommation d'énergie électrique associée. L’effet Franz-Keldysh se traduit par un changement du coefficient d'absorption du matériau près du bord de bande sous l'application d'un champ électrique statique, d'où la production d'une modulation directe de l'intensité lumineuse. L'utilisation de plasmons permet en principe d’augmenter l'effet électro-optique en raison du fort confinement du mode optique. Un outil de simulation électro-optique intégré a été développé pour concevoir et optimiser le modulateur. Le modulateur plasmonique proposé a un taux d'extinction de 3.3 dB avec des pertes d'insertion de 11.2 dB et une consommation électrique de seulement 20 fJ/bit, soit la plus faible consommation électrique décrite pour les modulateurs photoniques sur silicium. Le couplage du modulateur à un guide silicium standard en entrée et en sortie a également été optimisé par l’introduction d'un adaptateur de mode Si-Ge optimisé, réduisant les pertes de couplage à seulement 1 dB par coupleur. Par ailleurs, un travail expérimental a été effectué pour tenter de déplacer l'effet Franz-Keldysh, maximum à 1650 nm, à de plus faibles longueurs d'onde proches de 1.55 μm pour des applications aux télécommunications optiques. / This work aims to design a CMOS compatible, low-electrical power consumption modulator assisted by plasmons. For compactness and reduction of the electrical power consumption, electro-absorption based on the Franz-Keldysh effect in Germanium was chosen for modulation. It consists in the change of the absorption coefficient of the material near the band edge under the application of a static electric field, hence producing a direct modulation of the light intensity. The use of plasmons allows enhancing the electro-optical effect due to the high field confinement. An integrated electro-optical simulation tool was developed to design and optimize the modulator. The designed plasmonic modulator has an extinction ratio of 3.3 dB with insertion losses of 13.2 dB and electrical power consumption as low as 20 fJ/bit, i.e. the lowest electrical power consumption reported for silicon photonic modulators. In- and out-coupling to a standard silicon waveguide was also engineered by the means of an optimized Si-Ge taper, reducing the coupling losses to only 1 dB per coupler. Besides, an experimental work was carried out to try to shift the Franz-Keldysh effect, which is maximum at 1650 nm, to lower wavelength close to 1.55 μm for telecommunication applications.

Il y a actuellement un réel besoin de sources lasers tout solide capables d’émettre un rayonnement cohérent depuis l’infrarouge lointain au térahertz pour des applications variées comme la spectroscopie et la détection de molécules d'intérêt atmosphérique par exemple. La meilleure alternative est l’optique non linéaire paramétrique du second ordre permettant la conversion de fréquence d’un laser monochromatique dans un cristal massif aux propriétés optiques adaptées. Cependant il faut trouver de nouveaux matériaux car ceux déjà identifiés ne donnent pas satisfaction, leur grande faiblesse étant un seuil de dommage optique trop bas pour des applications à haute énergie. Nous sommes en mesure de relever ce défi en combinant depuis peu deux faisceaux complètement indépendants en accordabilité et en polarisation dans un échantillon taillé en forme de sphère ou de cylindre. Ainsi, nous étudions directement la génération de différence de fréquence dans le domaine de transparence du cristal en scannant son espace ou un plan. Il s'agit d'identifier les directions, dîtes d’accord de phase, où la biréfringence compense la dispersion en longueur d’onde des indices de réfraction, mais aussi les rendements de conversion et les acceptances spectrale et angulaires associés. Si des photons issus des deux faisceaux incidents traversent le cristal selon ces directions, des photons de longueur d’onde plus grande sont générés, avec une énergie optimale dont la valeur est d’autant plus élevée que le coefficient non linéaire du cristal est fort. La thèse est dédiée à l’étude de nouveaux cristaux uniques acquis d’équipes étrangères leaders dans leur élaboration. L’objectif visé est la conception de sources de lumière de type Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) ou Générateur Paramétrique Optique (OPG) accordables dans l’infrarouge ou le térahertz, plus énergétiques que les sources actuelles. / Nowadays, solid state laser is one way to access the infrared and terahertz light with a good coherence and a high brightness, for broad application prospects like spectroscopy and atmospheric molecules detection. The best way to generate this light is use second order parametric nonlinear optics which allows the frequency conversion of a monochromatic laser through a crystal with appropriate properties. However, the goal is find new materials since a lot of crystals already identified present a too low optical damage threshold for high energy applications. By combining two completely independent tunable and polarized beams in a sample cut as a sphere or a cylinder, we are able to take up the challenge. In this way, we could directly study the difference frequency generation in the whole transparency range by scanning one plane. The principle is to identify not only directions, called phase-matching, where the birefringence compensates the refractive index dispersion but also associated conversion efficiencies and spectral and angular acceptances. When the photons from the two incoming beams get through a crystal in these particular directions, other photons could be generated with higher wavelength and the higher amplitude of the nonlinear coefficient, the stronger the interaction. The PhD is devoted to the study of potential nonlinear crystals acquired thanks to international collaboration with leader group in the material elaboration. The results will enable to perform new parametric light sources like Optical Parametric Oscillator (OPO) or Optical Parametric Generator (OPG) tunable from infrared up to terahertz as the goal is to enhance the generated energy with respect to actual sources.

L'évolution des technologies liées aux semi-conducteurs a amené à l'étude de la cohérence des Bits Quantiques (Qbits) dans l'objectif de réduction de la taille des composants. A l'aide de la spectroscopie cohérente non-linéaire, j'ai pu étudier les propriétés de cohérences des excitons confinés dans des boites quantiques (BQ), eux-même intégrées dans différentes nano-structures. L'intérêt des nano-structures est d'augmenter le ratio signal-sur-bruit, indispensable dans notre expérience. L'utilisation des nano-structures est aussi indispensable dans l'objectif de la mise en place d'un couplage radiatif à longue distance entre 2 BQs. Il fut tout d'abord nécessaire de caractériser des nano-structures déterministes permettant d'augmenter le rendement d 'échantillons utilisables en conservant l'intensité de signal émit par les BQs. De plus, j'ai développé mon expérience afin d'affiner notre capacité d'étudier le couplage proches entre BQs intégrées dans une micro-cavité. Ensuite Nous avons testé plusieurs formes de nano-structures 1D (trompettes et ridges) afin de d'amplifier le couplage à longue distance et et comprendre les obstacles auxquels nous auront à faire face . Enfin une caractérisation de nouveaux matériaux 2D fut réalisée, en vue de d'améliorer notre compréhension des dynamiques des excitons dans ce type de matériaux. / The evolution of technologies related to semiconductors has led to the study of the coherence of Quantum Bits (Qbits) in order to reduce the size of the components. Using nonlinear coherent spectroscopy, I was able to study the coherence properties of excitons confined in quantum dots (BQs), themselves integrated into different nano-structures. The interest of nanostructures is to increase the signal-to-noise ratio, essential in our experience. The use of nano-structures is also essential for the purpose of setting up a long-distance radiative coupling between 2 BQs.First of all, it was necessary to characterize deterministic nano-structures that make it possible to increase the yield of usable samples by preserving the signal intensity emitted by the BQs. In addition, I developed my experience to refine our ability to study close-coupling between BQs embedded in a micro-cavity. Then we tested several forms of 1D nano-structures (trumpets and ridges) in order to amplify the long-distance coupling and to understand the obstacles we will have to face. Finally a characterization of new 2D materials was realized, in order to improve our understanding of exciton dynamics in this type of materials.