L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité de l'interférométrie par rétro-injection optique (IRO) pour la mesure de vitesse en dynamique des matériaux. La dynamique des matériaux est l'étude du comportement des matériaux soumis à des chocs (chocs laser, chocs plan,compression isentropique, projectiles, etc.). Dans ces conditions, nous cherchons à mesurer des vitesses pouvant aller jusqu'à 10 km/s. La technique IRO est couramment utilisée comme capteur embarqué pour mesurer de faibles vitesses dans divers domaines. Cependant, très peu d'études ont été réalisées sur les limites hautes vitesses de ce type de capteur. La rétro-injection optique provoque des effets non linéaires dans la cavité laser : elle perturbe la puissance d'émission optique. Suivant le taux de rétro-injection optique, le laser peut présenter un comportement chaotique et il n'est alors plus possible de récupérer l'information de la vitesse et/ou du déplacement de la cible à partir des signaux. Nous avons pour cela développé des modèles mathématiques et réalisé un grand nombre de simulations numériques afin d'évaluer les performances et les limitations de ce système. Nous avons notamment étudié l'influence de la réflectivité de la cible, de la longueur et de la fréquence de la modulation de la cavité externe.

La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons. / The recent field of Josephson photonics is about the interplay between circuit quantum electrodynamic and dynamical Coulomb blockade. It explains and studies the ability of a Cooper pair to inelasticity tunnel through a DC-biased Josephson junction by dissipating the Cooper pair energy in the electromagnetic environment of the junction in the form of photons.This thesis focuses on two aspects of the Josephson photonics:• Control over the statistics of the emitted photons with focus on Generation of non-classical photons;• Stimulated emission of photons leading to Amplification with added noise at the quantumlimit.These devices are powered with a simple DC voltage used to biased the Josephson junction. Such devices can be a new solution in a frequencies range where only few simple alternative solutions are now available.We have studied our devices with two theories, P-theory and input output theory, to derive working characteristics of our devices : Photon rate, gain, noise, bandwidth, compression point. The measured samples are made of niobium nitride and the electromagnetic environment of the junction is engineered to fulfil our needs. The possibility to select the photonic processes at will by engineering the electromagnetic environment permits to imagine further devices: other types of sources, wideband amplifiers, photon detectors.

Pas de résumé / Metallic nano-particles or nano-antennas (NAs) provide a strong spatial confinement down to the sub wavelength regime. However, a key challenge is to address and collect light from those nano-scale systems. The tiny active area of the NA is both an advantage for its miniaturization, and a real limit for the level of the collected signal. Therefore, one needs to reconsider how to drive efficiently such NA. Here, we propose to tackle this important issue by designing and realizing a novel nano-optical device based on the use of a photonic crystal cavity (PC cavity) to generate an efficient coupling between the external source and a NA. In this thesis, we design and realize a novel nano-optical device based on the coupling engineering of a photonic crystal (PC) cavity and a nanoantenna (NA). The research work includes nanodevice design, fabrication and characterization. The PC structures are formed in an InP-based membrane with four InAsP quantum wells are in the centre of the membrane to act as an optical gain material of laser mode. The PC structures include defect mode PC structures and Bloch mode PC structures. The bowtie NAs are placed on the backbone of the PC structures. The fabrication of the PC is done by electron beam lithography. Reactive ion beam etching (RIBE) is used to transmit the patterns of PC structures into the InP layer. The NAs are then deterministically positioned on the PC structures by a second e-beam exposure followed by a lift-off process. Overlay measurements showed that the deviation in the alignment error could be as small as 20nm.Optical properties of the hybrid structure are investigated in both far-field and near-field. The far-field measurement shows that the NA increases the lasing threshold of the PC cavity. The wavelength of the laser is also impacted. Near-field scanning optical microscopy (SNOM) has employed to investigate the near-field optical field distribution. The measurement results show that the NA modifies the mode of the structure and localizes the optical field under it. The modification depends on the position and orientation of the NA.

Cette thèse concerne l'étude des propriétés linéaires des fibres optiques à bandes interdites photoniques et à coeur solide et l'utilisation de leurs caractéristiques singulières en optique non-linéaire guidée. La partie I est consacrée au calcul des bandes interdites photoniques que présente la gaine microstructurée. Nous avons mis en place un outil numérique de calcul de bandes par la méthode de décomposition en ondes planes en tenant compte de la dispersion des matériaux. Cet outil a été utilisé pour concevoir une fibre permettant la photo-inscription d'un réseau de Bragg. La méthode des perturbations stationnaires est ensuite appliquée pour déterminer les indices effectifs des modes autorisés aux grandes longueurs d'onde et identifier les modes linéairement polarisés vers lesquels ils évoluent.Dans la partie II, l'équation de Schrödinger non-linéaire généralisée est établie. Dans le cas d'une fibre effilée, il apparaît un terme supplémentaire permettant la conservation du nombre de photons. L'expression analytique usuelle du taux d'auto-décalage Raman est étendue au cas des solitons de courte durée jouant un rôle majeur dans le processus de génération de supercontinuum.La partie III est consacrée aux résultats obtenus en régime non-linéaire dans les fibres à bandes interdites photoniques à coeur solide. Nous montrons théoriquement que la forte valeur de la dispersion du troisième ordre est à l'origine de la suppression de l'auto-décalage Raman juste avant le bord de bande et sans pertes significatives. Cette suppression est ensuite utilisée pour limiter l'étendue spectrale et augmenter la stabilité tir-à-tir d'un supercontinuum. / This thesis concerns the linear properties of solid-core photonic bandgap fibers and the use of their specific properties for guided non-linear optics.Part I focuses on optical properties of the core mode whose guidance mechanism is related to the photonic bandgaps of the microstructured cladding. A numerical tool is developed for bandgap calculation using the plane wave expansion method with the dispersion taken into account. This tool was used for the design of a fiber which allows the photo-writing of a Bragg grating. Then, the stationary perturbation method is applied to the determination of the effective index of the allowed modes at long wavelengths and to the identification of linearly polarized modes towards which they evolve.In part II, the generalized non-linear Schrödinger equation is established. In the case of a tapered fiber, an extra-term appears in the equation allowing the exact conservation of the photons number. Then, the principles of the soliton red-shift and supercontinuum generation are recalled. The usual analytical expression of soliton self-frequency shift rate is extended to the case of short-duration solitons which play an important part in the dynamics of supercontinuum generation.Part III focuses on results obtained in nonlinear regime in solid-core photonic bandgap fibers. We show that the strong value of the third order dispersion term is the cause of the soliton self-frequency shift suppression near the bandgap edge without significant energy loss. Then, this suppression was used to tailor the spectral extent of the supercontinuum and to reduce pulse-to-pulse fluctuations.

La croissance continue de la complexité des systèmes rend inévitable le développement de procédés technologiques pour lesquels différents types de matériaux sont intégrés de manière hétérogène dans le but de réaliser une palette de fonctionnalités, tout en miniaturisant la taille des dispositifs et en abaissant les coûts de fabrication. Cela est particulièrement vrai dans le domaine de la Photonique, pour laquelle ces impératifs peuvent être atteints selon les lignes résumées ci-après : -Miniaturisation photonique, dont la principale motivation réside dans la nécessité d’assurer un faible budget thermique, ainsi qu’une bonne compatibilité topologique avec les circuits microélectroniques, tout en bénéficiant du contrôle de l’interaction lumière-matière offert par les microstructures photoniques. - Intégration photonique hétérogène active/passive, combinant les matériaux actifs (émission de lumière, caractéristiques non-linéaires) les plus efficaces avec les matériaux passifs les mieux adaptés (conduction et confinement de la lumière), en vue de tirer le meilleur parti de chacun. Ce travail de thèse est consacré au développement de nouvelles approches destinées à satisfaire les impératifs évoqués précédemment, l’objectif étant la production de nouvelles classes de dispositifs photoniques associant les matériaux silicium et graphène, exploitant les caractéristiques non-linéaires uniques de ce dernier (absorption saturable ultrarapide et indépendante de la longueur d’onde) et les remarquables capacités du premier pour la fabrication de structures photoniques miniaturisées permettant un fort confinement de la lumière en utilisant les procédés de fabrication avancés et bas coût de la microélectronique silicium. Concernant la miniaturisation photonique, il est proposé de mettre en oeuvre une stratégie de confinement de type diffractif à base de structures périodiques à fort contraste d’indice pour le contrôle spatio-temporel de la trajectoire des photons. 3 Cette stratégie, au cœur des récents développements de la Micro-Nano-Photonique, est usuellement répertoriée sous la nomination de l’approche « Cristal Photonique ». Selon cette approche le matériau silicium a été utilisé en raison de ses remarquables caractéristiques photoniques : son indice optique élevé (autour de 3,5) en fait un excellent candidat pour la réalisation de cristaux photoniques ; cela s’est avéré particulièrement vrai dans la configuration dite membrane, dans laquelle un cristal photonique 1D est formé dans une couche mince de silicium sur isolant, en l’occurrence la silice (SOI). Il a été démontré, théoriquement et expérimentalement, que ces cristaux photoniques 1D peuvent se comporter comme des résonateurs, adressables par la surface verticalement, c’est-à-dire comme des réservoirs de photons où l’énergie électromagnétique peut être accumulée et stockée temporairement de manière à assurer un couplage efficace (absorption) au matériau graphène, moyennant un coût très réduit en termes de la puissance incidente (réduction théorique d’un facteur 25, facteur 7 réalisé expérimentalement). Le résonateur à base de cristal photonique 1D conçu et réalisé dans ce travail fournit également un « sous-produit » photonique très attractif : il se comporte comme un réflecteur compact très efficace, dont les caractéristiques spectrales peuvent être contrôlées à volonté. Un travail important à été consacré à la synthèse du graphène par méthode de dépôt en phase vapeur sur des substrats de nickel et de cuivre : une analyse détaillée de l’influence des paramètres de dépôt et des mécanismes de croissance a été réalisée. Il a été démontré que ces substrats peuvent être utilisés pour la production de une à quelques monocouches de graphène couvrant une surface d’environ 2cm2, de très haute qualité structurale, comme validé par spectroscopie Raman. [...] / No abstract

Thèse de doctorat : Mécanique et énergétique : INPL : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

La photonique intégrée offre la possibilité d’exploiter un vaste bouquet de phénomènes optique nonlinéaires pour la génération et le traitement de signaux optiques sur des puces très compactes et à des débits potentiels extrêmement rapides. De nouvelles solutions et technologies de composants pourraient être ainsi réalisées, avec un impact considérable pour les applications télécom et datacom. L’utilisation de phénomènes optiques nonlinéaires (e.g. effet Kerr optique, effet Raman) permet même d’envisager la réalisation de composants actifs (e.g. amplificateurs, modulateurs, lasers, régénérateurs de signaux et convertisseurs en longueur d’onde).Pendant cette dernière décennie, les efforts ont principalement porté sur la plateforme Silicium sur isolant (SOI), profitant du fort confinement optique dans ce matériau, qui permet la miniaturisation et intégration de composants optiques clés (e.g. filtres passifs, jonctions coupleurs et multiplexeurs). Cependant, la présence de fortes pertes nonlinéaires dans ce matériau aux longueurs d’onde d’intérêt (i.e. autour de 1.55 µm dans les télécommunications) limite certaines applications pour lesquelles une forte réponse nonlinéaire est nécessaire et motive la recherche de nouvelles plates-formes, mieux adaptées. L’objectif premier de cette thèse était ainsi l’étude de matériaux alternatifs au Si cristallin, par exemple le silicium amorphe hydrogéné, alliant de très faibles pertes nonlinéaires et une compatibilité CMOS, pour la réalisation de dispositifs photoniques intégrés qui exploitent les phénomènes nonlinéaires. Alternativement, l’utilisation de longueurs d’onde plus élevées (dans le moyen-IR) permet de relaxer la contrainte sur le choix de la filière matériau, en bénéficiant de pertes nonlinéaires réduites, par exemple dans la filière SiGe, également explorée dans cette thèse. Ce travail est organisé de la façon suivante. Le premier chapitre donne un iii panorama des phénomènes nonlinéaires qui permettent de réaliser du traitement tout-optique de l’information, en mettant en évidence les paramètres clés à maitriser (confinement optique, ingénierie de dispersion) pour les composants d’optique intégrée, et en présentant le cadre de modélisation de ces phénomènes utilisé dans le travail de thèse. Il inclut également une revue des démonstrations marquantes publiées sur Silicium cristallin, donnant ainsi des points de référence pour la suite du travail. Le chapitre 2 introduit les cristaux photoniques comme structures d’optique intégrée permettant d’exalter les phénomènes nonlinéaires. On s’intéresse ici aux cavités, avec une démonstration de génération de deuxième et troisième harmoniques qui exploite un design original. Ce chapitre décrit également les enjeux associés à l’utilisation de guides à cristaux photoniques en régime de lumière lente, qui serviront de fondements pour le chapitre 4. Le chapitre 3 présente les résultats de caractérisation de la réponse nonlinéaire associée à des guides réalisés dans deux matériaux alternatifs au silicium cristallin : le silicium amorphe hydrogéné testé dans le proche infrarouge et le silicium germanium testé dans le moyen infrarouge. Le modèle présenté au chapitre 1 est exploité pour déduire la réponse de ces deux matériaux, et il est même étendu pour rendre compte d’effets nonlinéaires d’ordre plus élevé dans le cas du silicium germanium à haute longueur d’onde. Ce chapitre inclut également une discussion sur la comparaison des propriétés nonlinéaires de ces deux matériaux avec le SOI standard. Le chapitre 4 combine l’utilisation d’une plate-forme plus prometteuse que le SOI, avec des structures photoniques plus avancées que les simples guides réfractifs utilisés au chapitre 3 : il décrit l’ingénierie de modes (lents) dans des guides à cristaux photoniques en silicium amorphe hydrogéné et enterrés dans la silice. [...] / Integrated photonics offers a vast choice of nonlinear optical phenomena that could potentially be used for realizing chip-based and cost-effective all-optical signal processing devices that can handle, in principle, optical data signals at very high bit rates. The new components and technological solutions arising from this approach could have a considerable impact for telecom and datacom applications. Nonlinear optical effects (such as the optical Kerr effect or the Raman effect) can be potentially used for realizing active devices (e.g. optical amplifiers, modulators, lasers, signal regenerators and wavelength converters). During the last decade, the silicon on insulator (SOI) platform has known a significant development by exploiting the strong optical confinement, offered by this material platform, which is key for the miniaturization and realization of integrated optical devices (such as passive filters, splitters, junctions and multiplexers). However, the presence of strong nonlinear losses in the standard telecom band (around 1.55 µm) prevents some applications where a strong nonlinear optical response is needed and has motivated the research of more suitable material platforms. The primary goal of this thesis was the study of material alternatives to crystalline silicon (for instance hydrogenated amorphous silicon) with very low nonlinear losses and compatible with the CMOS process in order to realize integrated photonics devices based on nonlinear optical phenomena. Alternatively, the use of longer wavelengths (in the mid-IR) relaxes the constraints on the choice of the material platform, through taking advantage of lower nonlinear losses, for instance on the SiGe platform, which is also explored in this thesis. This work is organized as follows. In the first chapter we provide an overview of the nonlinear optical effects used to realize all optical signal processing functions, focusing on the key parameters that are essential (optical confinement and dispersion engineering) for integrated optical components, and presenting the main models used in this thesis. This chapter also includes a review of the main demonstrations reported on crystalline silicon, to give some benchmarks. Chapter 2 introduces the use of photonic crystals as integrated optical structures that can significantly enhance nonlinear optical phenomena. First we present photonic crystal cavities, with a demonstration of second and third harmonic generation that makes use of an original design. In the second part of the chapter, we describe the main features and challenges associated with photonic crystal waveguides in the slow light regime, which will be used later in chapter 4. In chapter 3, we report the experimental results related to the characterization of the optical nonlinear response of integrated waveguides made of two materials that are alternative to crystalline silicon : the hydrogenated amorphous silicon, probed in the near infrared, and the silicon germanium, probed in the mid-infrared. The model presented in chapter 1 is extensively used here for extracting the nonlinear parameters of these materials and it is also extended to account for higher order nonlinearities in the case of silicon germanium tested at longer wavelengths. This chapter also includes a comparison of the nonlinear properties of these two material platforms with respect to the standard SOI. In chapter 4, we combine the use of a material platform that is better suited than SOI for nonlinear applications with integrated photonics structures that are more advanced that those used in chapter 3. Here we describe the design of (slow) modes in photonic crystal waveguides made in hydrogenated amorphous silicon fully embedded in silica. [...]

L'avènement de la photonique intégrée a attiré beaucoup de recherche et d'attention industrielle au cours des deux dernières décennies, plusieurs croyant qu'il s'agit d'une révolution équivalente à la microélectronique. Tout en tirant parti des procédés de fabrication de masse hérités de la microélectronique, la photonique sur silicium est compacte, éconergitique et permet l'intégration complète de dispositifs et de circuits photoniques à l'échelle nanométrique pour des applications cruciales dans les télécommunications, la détection et le calcul optique. À l'instar des débuts de la microélectronique, les efforts de recherche actuels en photonique sur silicium sont principalement consacrés à la proposition, à la conception et la caractérisation de composants standardisés en vue d'une éventuelle intégration de masse dans des circuits photoniques. Les principaux défis associés à ce développement comprennent la complexité de la théorie électromagnétique dans le fonctionnement des dispositifs, les variations et les non-uniformités du procédé de fabrication limitant les performances, et les ressources informatiques considérables nécessaires pour modéliser avec précision des circuits photoniques complexes. Dans ce mémoire, ces trois limitations sont abordées sous forme de contributions de recherche originales. Basées sur des dispositifs photoniques sur silicium et l'apprentissage machine, les contributions de ce mémoire concernent toutes les réseaux de Bragg intégrés, dont le principe de fonctionnement de base est la réflexion optique sélective en fréquence. Premièrement, un nouveau filtre optique double-bande basé sur les réseaux de Bragg multimodes est introduit pour des applications dans les télécommunications. Deuxièmement, une nouvelle architecture de filtre accordable basée sur un coupleur contra-directionnel à étage unique avec un dispositif de micro-chauffage segmenté permettant des profils de température arbitraires démontre une accordabilité de la bande passante record et des capacités de compensation des erreurs de fabrication lorsqu'opérée par un algorithme de contrôle. Troisièmement, un modèle d'apprentissage machine basé sur un réseau de neurones artificiels est introduit et démontré pour la conception de coupleurs contra-directionnels et le diagnostic de fabrication, ouvrant la voie à la production de masse de systèmes photoniques intégrés basée sur les données. / The advent of integrated photonics has attracted a lot of research and industrial attention in the last two decades, as it is believed to be a hardware revolution similar to microelectronics. While leveraging microelectronics-inherited mass-production-grade fabrication processes for full scalability, the silicon photonic paradigm is compact, energy efficient and allows the full integration of nano-scale optical devices and circuits for crutial applications in telecommunications, sensing, and optical computing. Similar to early-day microelectronics, current research efforts in silicon photonics are put toward the proposal, design and characterization of standardized components in sights of eventual black-box building block circuit design. The main challenges associated with this development include the complexity of electromagnetic theory in device operation, the performance-limiting fabrication process variations and non-uniformities, and the considerable computing resources required to accurately model complex photonic circuitry. In this work, these three bottlenecks are addressed in the form of original research contributions. Based on silicon photonic devices and machine learning, the contributions of this thesis pertain to integrated Bragg gratings, whose basic operating principle is frequency-selective optical transmission. First, a novel dual-band optical filter based on multimode Bragg gratings is introduced for applications in telecommunications. Second, a novel tunable filter architecture based on a single-stage contra-directional coupler with a segmented micro-heating device allowing arbitrary temperature profiles demonstrates record-breaking bandwidth tunability and on-chip fabrication error compensation capabilities when operated by a control algorithm. Third, an artificial neural network-based machine learning model is introduced and demonstrated for large-parameter-space contra-directional coupler inverse design and fabrication diagnostics, paving the way for the data-driven mass production of integrated photonic systems.

Puisqu’ils offrent la possibilité d’intégrer monolithiquement un grand nombre de composants à un faible coût, les circuits intégrés photoniques (CIPs) sont devenus une plateforme de choix pour la réalisation de capteurs optiques sur puce. Cette thèse propose, puis démontre l’utilisation de CIPs sur silicium pour la réalisation de polarimètres et de spectro-polarimètres sur puce. Dans le premier chapitre, nous présentons un séparateur de polarisation utilisant un réseau de nano-antennes en forme d’arêtes de poisson sur silicium. Nous montrons également qu’une structure de la sorte est en mesure de séparer deux états de polarisation arbitraires qui sontorthogonaux entre-eux. De plus, nous avons amélioré le précédent modèle théorique existant pour y inclure ce phénomène. Dans le second chapitre, nous présentons et démontrons de façon expérimentale un polarimètre intégré sur silicium qui requiert 6 photodétecteurs (6-PDs). Ici, la structure optimale veut dire que, pour un niveau de bruit donné, cette structure permet d’obtenir l’état de polarisation avec la précision la plus élevée. Nous démontrons également de façon théorique que cette configuration proposée peut maintenir un état optimal sur une plage de longueur d’onde de100 nm. Dans le troisième chapitre, nous proposons une jonction en « Y » paramétrisée dont le ratio de séparation de puissance peut être choisi avant la fabrication, lors de la conception. Sur une plage de longueur d’onde de 100 nm, les pertes de puissance de la jonction sont inférieuresà 0.36 dB, et ce, pour tout ratio arbitraire de séparation de puissance. De plus, sa taille de1.4 µm × 2.3 µm le rend très compact.Au chapitre 4, nous proposons un polarimètre optimal composé de quatre photodétecteurs(4-PDs) possédant ces propriétés à partir de la jonction en « Y » proposée au chapitre 3. Un polarimètre non-optimal est fabriqué de manière à montrer la différence entre celui-ci et le cas optimal. Les résultats expérimentaux montrent que l’erreur de reconstruction du composant optimal est inférieure de 44 % à celle du composant non-optimal.Dans le cinquième chapitre, nous proposons et faisons la démonstration d’un spectro- polarimètre réalisé intégralement sur puce. Afin de permettre une analyse spectro-polarimétrique iiicomplete, quatre micro-résonateurs à effet Vernier compacts sont intégrés monolithiquement avec un polarimètre large-bande. Le composant optique proposé offre une solution de spectropolarimétrie sur semi-conducteur tout en gardant une taille très compacte de 1 × 0.6 mm2et une faible consommation de puissance de 360 mW. La détection spectrale pour tous les composants de Stokes est démontrée sur une large plage de longueur d’onde de 50 nm, et ce avec une résolution de 1 nm par la caractérisation d’un matériau possédant une chiralité structurelle. / The ability to monolithically integrate numerous components in low-cost, photonic integratedcircuits (PICs) has become a hot topic in the research for realizing on-chip optical measurement. In this thesis, we propose and demonstrate two on-chip polarimeters and an on-chipspectropolarimeter using silicon PICs.In the first chapter, we investigate the optical properties of the silicon fishbone nanoantennaarray. We found that this type of structure can be used to identify any two arbitrary orthogonalpolarization states. The previous theoretical model was also improved upon in order to explainthis phenomenon.In the second chapter, we propose and experimentally demonstrate a silicon polarimeter whichrequires six photodetectors. We also theoretically demonstrate that the proposed configurationcan maintain an optimal state over a wavelength range of 100 nm. Here, the optimal structuremeans that for a given noise, the structure would allow for the highest and polarizationindependent accuracy of the polarization state measurement to be obtained.In the third chapter, we propose a parameterized Y-junction whose arbitrary power splittingratio can be selected in layout design. For an arbitrary power splitting ratio, its excess losscan keep below 0.36 dB over a wavelength range of 100 nm. Moreover, this device has anultra-compact footprint of 1.4 µm × 2.3 µm.Based on the Y-junction proposed in chapter 3, the fourth chapter proposes an optimal siliconphotonic polarimeter that only requires four photodetectors and its configuration is optimal.A non-optimal device is fabricated to show the difference between optimal and non-optimaldevices. The experimental results indicate that the reconstructed error of the optimal deviceis 44% lower than that of the nonoptimal device.In the fifth chapter, a completely chip-level spectropolarimeter is proposed. Four compactVernier microresonator spectrometers are monolithically integrated with a broadband polarimeter to achieve full-Stokes spectropolarimetric analysis. The proposed device offers asolid-state spectropolarimetry solution with a small footprint of 1 × 0.6 mm2 and low powerconsumption of 360 mW. Full-Stokes spectral detection across a broad spectral range of 50 nmwith a resolution of 1 nm is demonstrated in characterizing a material that possesses structuralvchirality.

La photonique sur silicium s'est établie comme plate-forme de choix pour le développement de systèmes photoniques abordables et ultra-compacts pouvant être fabriqués en masse et co-intégrés avec la microélectronique. Ces avantages contrastent avec les propriétés optiques imparfaites du silicium, créant une incertitude quant à la pertinence de la plate-forme face aux matériaux émergents qui promettent de meilleures performances pour des tâches spécifiques. Toutefois, ces matériaux émergents accusent un retard de développement face aux avancées rapides du silicium en matière de techniques de fabrication, de méthodes de conception et de maturité des composants. L'intégration hétérogène de matériaux émergents avec le silicium combine le meilleur des deux mondes : une solution aux limitations du silicium et un parcours de développement accéléré pour les nouveaux matériaux. L'étude des méthodes, des matériaux et des composants se rapportant à l'intégration hétérogène est un sujet riche trouvant application dans plusieurs domaines technologiques importants. La recherche réalisée dans cette thèse contribue au domaine de l'intégration hétérogène pour la plate-forme silicium-sur-isolant (SOI) avec une emphase sur les matériaux amorphes. Nos six contributions abordent divers sujets passant de la photonique athermique à la science des couches minces et culminent en une œuvre qui établit de nouvelles techniques, de nouveaux composants, de nouveaux matériaux et de nouveaux concepts. Dans notre première contribution, nous introduisons le verre de chalcogénure As₂₀S₈₀ comme matériau pour la compensation thermique des guides d'ondes en silicium. Contrairement aux démonstrations antérieures, l'indice élevé, les faibles pertes du film et sa capacité à être recoulé aboutissent en un guide d'ondes hybride à faible perte. Ces résultats s'ajoutent à la courte liste de matériaux pour la photonique athermique et démontre la possibilité d'obtenir à la fois un haut facteur de qualité et une bonne stabilité thermique dans un microrésonateur de silicium. Dans notre deuxième contribution, nous itérons sur nos travaux précédents pour démontrer l'usage des guides à réseaux sous-longueur d'onde afin d'améliorer l'interaction matière-lumière des guides hybrides As₂₀S₈₀-Si. L'ajout de degrés de liberté permet d'atteindre une compensation thermique presque parfaite avec un coefficient thermique du guide d'ondes réduit à −2.93 × 10⁻⁶ RIU/K. De plus, nous démontrons la possibilité de recouler le verre afin d'éliminer les vides d'air formés lors de la déposition de la gaine. Dans notre troisième contribution, nous présentons une nouvelle technique pour fabriquer des guides d'ondes de chalcogénure sans gravure directement couplés à des guides d'ondes de silicium. La technique est basée sur le remplissage de microsillons, où des ouvertures sont gravées dans la gaine d'oxyde jusqu'à la couche de silicium. Un recuit au-delà de la température de transition vitreuse permet d'induire le démouillage de la couche mince et mène à la formation d'un guide d'ondes rectangulaire lisse avec de faibles pertes de propagation de 0.7 dB · cm⁻¹. Dans notre quatrième contribution, nous utilisons la méthode de remplissage de microsillons afin d'intégrer pour la première fois l'oxyde de tantale avec le silicium. L'avantage de l'oxyde de tantale est souligné par la démonstration de microrésonateurs ayant une excellente stabilité thermique sur une bande passante record de 120 nm. Les propriétés linéaires et non linéaires exceptionnelles de l'oxyde de tantale suggèrent que ces microrésonateurs hybrides pourront trouver plusieurs applications futures. Dans notre cinquième contribution, nous proposons et démontrons de façon numérique et expérimentale que le remplissage de microsillons est une méthode d'intégration hétérogène universelle pouvant accommoder une très grande variété de matériaux amorphes. Par ailleurs, nous démontrons des microrésonateurs de chalcogénures ultra-compacts à haut facteur de qualité afin de supporter le fait que cette méthode ne compromet pas la densité d'intégration de la plate-forme SOI. Nous concluons ce chapitre avec une preuve de concept pour un nouveau guide d'ondes multi-couches rendu possible par la méthode de remplissage de microsillons. Finalement, dans notre sixième contribution, le phénomène du démouillage dans les couches minces est étudié plus en détails et appliqué au développement de composants photoniques auto-assemblés à très faible pertes. Nous présentons les résultats d'un étude expérimentale approfondie de l'effet d'un recuit à haute température sur les properties des films de As₂₀S₈₀, démontrant, entre autres, qu'il est possible d'atteindre des rugosités de surface d'échelle atomique avec cette méthode. Ce résultat suggère que le démouillage pourrait jouer un rôle important en photonique à pertes ultra-faibles puisque que le phénomène permet de diminuer la source de perte principale, la diffusion causée par la rugosité de surface. Ce potentiel est mis de l'avant par la démonstration d'un facteur de qualité record (4.7 × 10⁶) dans un microrésonateur planaire de chalcogénure. / Silicon photonics is the platform of choice for the development of low-cost and ultra-compact photonic systems that can be manufactured in high volume and co-integrated with micro-electronics. These advantages contrast with silicon imperfect optical properties, leading the platform to be challenged by emerging materials that promise improved performances for specific tasks. However, emerging platforms struggle to catch up with the rapid advances in silicon photonics fabrication techniques, design methods and components maturity. The heterogeneous integration of emerging materials with silicon provides the best of both worlds: a solution to silicon's limitations and an accelerated development path for novel materials. The study of heterogeneous integration methods, materials and devices is a rich topic with applications in many technologically important fields. The research conducted in this thesis contributes to the field of heterogeneous integration for the silicon-on-insulator (SOI) platform, with a focus on amorphous materials. Our six contributions touch on various topics from athermal photonics to thin-film science and culminates in a body of work that establishes novel techniques, components, materials and concepts. In our first contribution, we introduce the chalcogenide glass As₂₀S₈₀ as a material for thermal compensation in silicon photonics. In contrast with previous demonstrations, the high-index, low film loss and ability to reflow results in low-loss hybrid waveguides. These results add to the problematically short list of materials for athermal silicon photonics and show the possibility of achieving both high quality factor and thermal stability in a silicon microresonator. In our second contribution, we iterate on the first contribution and demonstrate the use of subwavelength grating waveguides to improve the light-matter interaction in hybrid As₂₀S₈₀-Si waveguides. The added degrees of freedom result in a nearly perfect thermal compensation with a waveguide thermo-optic coefficient reduced to −2.93 × 10⁻⁶ RIU/K. Moreover, we show that the soft chalcogenide glass can be reflowed at CMOS compatible temperature to fill the air voids that are systematically formed in the cladding. In our third contribution, we present a novel fabrication technique for etchless chalcogenide waveguides directly coupled to silicon waveguides. The technique is based on micro-trench filling, where oxide opening windows are etched in the silica cladding down to the silicon waveguide layer. An annealing step beyond the glass transition temperature induce dewetting of the thin-film and leads to the formation of smooth rectangular strip waveguides with low propagation loss of 0.7 dB · cm⁻¹. In our fourth contribution, we use the micro-trench filling method to integrate tantalum pentoxide with silicon for the first time. The advantage of using tantala is highlighted through the demonstration of microresonators with excellent thermal stability over a record bandwidth of more than 120 nm. The exceptional linear and nonlinear properties of tantala suggest many more applications for these hybrid microresonators. In our fifth contribution, we propose and demonstrate, through numerical and experimental validation, that the micro-trench filling technique is a universal heterogeneous technique compatible with a very large variety of amorphous materials. Furthermore, we demonstrate high quality factor, ultra-compact chalcogenide microresonators to support the fact that this method does not compromise SOI integration density. This chapter is concluded by a proof-of-concept for a novel multilayer waveguide geometry enabled by the micro-trench filling technique. Finally, in our sixth and last contribution, the dewetting phenomenon is further investigated for the development of self-assembled ultra-low-loss integrated photonics components. We present the results of an in-depth experimental study of the effect of high-temperature annealing on the properties of As₂₀S₈₀ thin-films, showing, among other things, that it is possible to reach atomic-scale surface roughness using this method. This result suggests that dewetting could play a role for future ultra-low-loss photonics since it alleviates the dominant source of loss. This potential is highlighted by demonstrating the highest quality factor (4.7 × 10⁶) in a compact chalcogenide microresonator.