Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'optique micro-onde. Nous avons mis en oeuvre différentes solutions opto-électroniques dans le but de réaliser un synthétiseur hyperfréquence monolithiquement intégré, faiblement bruité et largement accordable jusqu'au domaine millimétrique. Le synthétiseur est basé sur l'intégration sur InP de deux lasers DFB, d'un coupleur optique et d'une photodiode rapide. En outre, un modulateur électro-optique est également implémenté sur la puce afin de transmettre un signal de données sur la porteuse générée. Les performances obtenues en terme de gamme d'accord et de transmission de données sans fil se sont révélées conformes aux objectifs. Ainsi, une gamme d'accord de 0 à 110 GHz et un débit de transmission de donnée sans fil à courte distance de 1 Gbit/s ont pu être démontrés, établissant notre système à l'état de l'art mondial pour ce type de composant totalement intégré. Les performances en terme de bruit de phase se sont en revanche révélées décevantes. Pour remédier à ce problème nuisant à la montée en débit supérieurs, nous avons investigué deux solutions de stabilisation de la fréquence porteuse. La première, basée sur un asservissement électronique (OPLL) de la puce, s'est pour le moment révélé infructueuse, mais a permis d'étudier plus avant les problématiques qui lui sont liées. La seconde solution, basée sur un système inédit de rétroinjection optique mutuelle et une stabilisation sur un oscillateur électronique externe a quant à elle répondu à nos souhaits. En effet, la stabilisation de la fréquence porteuse par cette technique a permis de démontré des largeurs de raies inférieure à 30 Hz et un bruit de phase réduit à -90 dBc/Hz à 10 kHz d'une porteuse accordée à 90 GHz. A la suite de ces travaux sur une première génération de composants, une deuxième génération a été développée afin d'améliorer les performances intrinsèques de la puce en remédiant aux limitations observées jusqu'alors. Ainsi, une nouvelle configuration de cavité a été conçue intégrant notamment des lasers plus longs ainsi que des miroirs haute réflectivité. Par ailleurs, une optimisation de la structure de la photodiode a été réalisée afin d'améliorer encore sa bande passante. Une telle source permet d’envisager la génération et la modulation de signaux microonde faible bruit de phase et largement accordables sur des composants monolithiquement intégrés répondant aux exigences de compacité, de reproductibilité et de performances haut débit requises par les industries des télécommunications, de la défense ou encore du domaine spatial. / This thesis deals with the microwave photonics context. We have implemented various opto- electronic solutions in order to realize a monolithically integrated microwave synthesizer which has a low noise and a wide tunability until millimeter-wave frequencies. The synthesizer is based on the integration of two InP DFB lasers, an optical coupler and a fast photodiode. In addition, an electro-optic modulator is also implemented on the chip in order to transmit data on the generated carrier. The performances obtained in terms of tunability and wireless data transmission proved consistent with the objectives. Thus, a tuning range of 0-110 GHz and a short distance wireless data transmission rate of 1 Gbit /s have been demonstrated, establishing our system to the state of the art for this type of fully integrated component. Phase noise and linewidth performances have however been disappointing. To solve this problem affecting the data rate we have investigated two ways of stabilizing the carrier frequency. The first, based on an electronic feedback loop (OPLL) has yet proved unsuccessful but allowed us to further explore the related issues. However, the second solution, based on a new system of optical cross injection and stabilization to an external electronic oscillator has filled our wishes. Indeed, the stabilization of the carrier frequency by this technique has demonstrated linewidth less than 30 Hz and a reduced phase noise to -90 dBc / Hz at 10 kHz for a given carrier at 90 GHz. Next to the first generation components, a second generation was developed to improve the intrinsic performances of the chip by remedying the limitations previously observed. Thus, a new cavity configuration was designed including longer lasers and high reflectivity integrated mirrors made by materials deep etching. Moreover, optimization of the photodiode structure was carried out to further improve the bandwidth. Such a source allows to consider the generation and modulation of low phase noise and widely tunable microwave signals on monolithically integrated components matching the compactness, reproducibility and high speed performances required by the telecom, defense and space industries.

La capacité et les performances des systèmes à fibres optiques et photoniques dépendent fortement du bruit et des non-linéarités des amplificateurs optiques. Dans ce contexte, les amplificateurs paramétriques à fibre optique (PS-FOPA), reposant sur le mélange à quatre ondes dans les fibres optiques, surpassent les amplificateurs conventionnels insensibles à la phase. En effet, leur sensibilité à la phase peut être exploitée pour l'amplification sans bruit et al compensation de la distortion non-linéaire. En conjonction avec leur large spectre de gain et d'autres fonctionnalités telles que la conversion de longueur d'onde, ils sont considérés comme des candidats prometteurs pour la prochaine génération d'amplificateurs optiques pour les communications et le traitement de signal tout optiques.Le PS-FOPA est classiquement décrit par les équations d'ondes couplées, dérivées de l'équation de Schrödinger non-linéaire qui ne contiennent que trois ou quatre ondes en interaction. Cependant, dans un cas plus général, l'apparition de fréquences supplementaires d’ordre plus élevé affectera inévitablement la sensibilité en phase.L’objectif de cette thèse est d'étudier de manière approfondie les propriétés non-linéaires, en termes de gain et de sensibilité en phase d'un PS-FOPA dégénéré à double pompe pour différentes configurations. Une analyse numérique plus précise est obtenue en utilisant le modèle à 7 ondes qui incorpore les ondes supplémentaires issues de processus de mélange à quatre ondes d’ordre élevé. Ce modèle permet de donner une interprétation physique plus précise des interactions multi-ondes en fonction des conditions d'accord de phase, révélant les relations sous-jacentes entre la dispersion et la sensibilité de phase. De plus, la capacité de régénération simultanée de phase et d'amplitude d'un PS-FOPA basique est évaluée pour l'optimisation globale. Il permet d'exploiter pleinement la capacité potentielle d'un PS-FOPA de base agissant comme un bloc de construction fondamental des futures fonctionnalités tout optiques. L’approche basée sur ce modèle permet une optimisation orientée vers l’application et revêt une importance particulière pour la conception et l'optimisation de tels PS-FOPAs dans divers scénarios. / The capability and performance of the widely deployed fiber-optic and photonic systems strongly depend on the noise and nonlinearities of the optical amplifiers. In this context, phase-sensitive fiber-optic parametric amplifiers (PS-FOPAs), relying on four-wave mixing in optical fibers, outperforms conventional phase-insensitive amplifier thanks to the unique phase-sensitivity that can be exploited for noiseless amplification and mitigation of the nonlinear impairment. In conjunction with the vast gain spectrum and other functionality such as wavelength conversion, they have been regarded as a promising candidate for the next generation optical amplifiers towards all-optical communication and processing.The PS-FOPA is conventionally described by the fundamental coupled wave equations derived from the nonlinear Schrödinger equation that contains only three or four interacting waves. However, for a more general case, the emergence of high-order waves will inevitably affect the phase-sensitivity. The objective of this thesis aims at the thorough investigation of the nonlinear properties in terms of the gain properties and the phase sensitivities with respect to different configurations of a dual-pump signal-idler degenerate PS-FOPA. The more accurate numerical analysis is obtained by using the 7-wave model that incorporates the first order high-order waves stemming from the high-order four-wave mixing processing. This model permits to assess a more precise physical interpretation of the multi-wave interactions based on phase matching conditions, revealing the underlying relations between the dispersion and the phase-sensitivity. Moreover, the simultaneous phase and amplitude regenerative capability of a basic PS-FOPA is evaluated for the overall optimization. It allows fully exploiting the potential ability of a basic PS-FOPA acting as a fundamental building block of the future all-optical functionalities. The analysis approach based on this model permits application-oriented optimization and is of particular guiding significance for design and optimization of PS-FOPA in various scenarios.

La photoisomérisation de la molécule d’azobenzène entre ses formes trans et cis génère un travail mécanique qui peut déformer la matrice solide environnante et provoquer un déplacement de matière. Il est en particulier possible de contrôler optiquement la formation de motifs de taille micro- et nanométrique à la surface d’un matériau de type polymère ou verre. Ces phénomènes ont été étudiés en détails ces dernières années et de nombreuses approches ont été proposées pour réaliser des dispositifs ajustables qui exploitent les propriétés photomécaniques des azo-matériaux.L’objectif de ce doctorat était de réaliser des réseaux de micro- et nanostructures hybrides métal/diélectrique contenant des matériaux à base de dérivés d’azobenzène, et d’étudier, d’une part, la réponse photomécanique de ces structures et, d’autre part, la variation des propriétés optiques des réseaux associée à la photo-déformation des structures.La première partie de ce travail a consisté au développement d’une méthode de structuration de polymères photo-actifs à base d’azobenzène en réseaux de piliers par embossage en voie liquide. L’étude des déformations des micro- et nanostructures induites par photo-stimulation dans la bande d’absorption des molécules d’azobenzène montre en particulier que les déformations sont dirigées par la polarisation de la lumière et que certaines déformations peuvent être réversibles. Les propriétés optiques (diffraction, transmission) des réseaux de micro- et nanostructures sont alors ajustables en fonction de la déformation du motif.Dans un second temps, les motifs d’azo-matériaux sont recouverts par une fine couche d’or d’une dizaine de nanomètres. Il a été montré que les propriétés photomécaniques de l’azo-matériau sont conservées malgré la métallisation. Dans la gamme du spectre visible, les interférences présentes dans le spectre de réflexion sont annulées par la déformation du motif du réseau. En lumière infrarouge, cette déformation permet de modifier les conditions de couplages entre les modes localisés et les modes propagatifs présents dans la structure métallisée. Le contrôle de la forme des motifs qui composent le réseau permet donc de moduler avec précision les propriétés optiques et plasmoniques du système hybride. / Trans-cis photo-isomerization of azobenzene units generate mechanical work on its hosting matrice, allowing matter migration inside. This property allows to optically pattern micro and nanometric structures at the surface of azobenzene-containing materials (polymer, glass). Such phenomena were widely investigated and exploited to produce tunable devices exploiting photo-mechanical properties of azobenzene molecules.The purpose of this thesis were to fabricate metal-dielectric azobenzene-containing micro and nanostructured gratings and study the evolution of their optical and plasmonic properties under light stimulation.First, we developped a structuration methode inspired from solvent-assisted nanoimprint lithography to generate 2D azobenzene-gratings of pillars. Type and direction of the deformation induced in the structures were directly associated with the stimulation light polarization. Reversibility of the deformation were observed for a certain type of illumination cycle. Modification of the optical properties (transmission, diffraction) was investigated during the deformation of the pillars.Then, gratings were covered with tens of nanometers of gold. Metallization did not affect the deformation of the structures. Study in the visible range shows that interferences in the reflection spectra vanishes during the photo-deformation. In the infrared domain, the deformation leads to a strong modification of the plasmonic properties, enhancing particular plasmonic modes in favor of others. Control of the grating pillars shape allows a precise tenability of optical and plasmonic properties of the hybrid device.

Cette thèse porte sur la numérisation de signaux hyperfréquences en utilisant une horloge optique, possédant une gigue temporelle très faible en comparaison des horloges électroniques. Une faible gigue est un facteur clé de l’échantillonnage à haute performance, car l’horloge commande l’ouverture d’une “porte” qui extrait les échantillons du signal à intervalles réguliers. Cette thèse décrit deux approches originales : l’échantillonnage purement optique et l’échantillonnage électro-optique.Une porte électro-optique se constitue d’une ligne coplanaire transportant le signal électrique. Cette ligne présente une discontinuité qui devient conductrice sur commande optique grâce à un matériau photoconducteur. Les alliages semi-conducteurs du groupe III-V sont souvent utilisés car la mobilité de ces porteurs photo-générés est suffisamment élevée, ce qui est favorable à une bonne conductivité à l’état “on”. Le GaAs, en particulier, présente l’avantage d’une conductivité faible à l’état “off” du fait de la largeur de la bande interdite électronique. Cela explique l’intérêt de ce matériau, cependant, cela impose aussi une contrainte sur la longueur d’onde de la source laser, expliquant l’utilisation de sources autour 800 nm.Dans cette thèse l’utilisation de sources laser à verrouillage de modes à fibre, développées dans le domaine des Télécoms, donc plus facilement accessibles, tout en gardant le GaAs comme matériaux actif est explorée. Cela est possible en exaltant l’efficacité de l’absorption à deux photons, effet faible dans la plupart des structures. L’approche suivie porte sur l’utilisation d’une cavité à cristaux photoniques. Le très fort confinement et le très faible volume occupé par le mode optique se traduit en une très forte absorption non linéaire. De plus, la nano-structuration du semi-conducteur réduit de manière considérable le temps de vie des porteurs, ce qui permet un retour suffisamment rapide à l’état “off”. L’étude se conclut par la démonstration de la fonction d’échantillonnage.La même fonction a été étudiée dans le cas ou le signal hyperfréquence se trouve sur une porteuse optique. La fonction porte “tout optique” est réalisée par un résonateur à cristaux photoniques. La génération de porteurs par absorption à deux photons induit un déplacement spectral de la résonance, ce qui est exploité pour moduler la transmission du dispositif. Une porte optique rapide, capable en principe de traiter des signaux dépassant les 50 GHz à été montrée. Cette porte requiert une puissance de commande de l’ordre de 200 fJ/impulsion, ce qui est suffisamment faible pour utiliser des sources lasers compactes (diode laser) et, de ce fait, outre sa très faible taille, peut être intégrée facilement. / This thesis is focused on the digitalization of radio-frequency signal using optical clock, allowing a low time jitter compared to electronic clocks. A low jitter is a key factor for high performance sampling, as the clock commands the “gate” opening which extracts the signal samples at regular intervals. This thesis describes two original approaches: all-optical sampling and electro-optics one.An electro-optic gate is based on radio-frequency transmission strip-line carrying the electric signal. A discontinuity in this strip-line occurs which become conductive, thanks to the optical command provided by the clock, due to a photo-conductive material. Semiconductor alloys from the III-V groups are widely used thanks to the high mobility of the photo-generated carriers allowing a high “on” state. In particular, GaAs present a good “off” state due to its band-gap energy. However, this restrains the optical clock wavelength explaining the use of optical sources around 800 nm.In this thesis, the focus was made on using mode-locked lasers in the Telecom range, thus using the improvement made on these sources during the past decades, while keeping GaAs as the active material in the electro-optic sampler. This is made possible by exalting the efficiency of two-photon absorption, which is usually weak in common structures. The approach followed here is to use a photonic crystal cavity. Thanks to its high optical mode confinement, non-linear absorption becomes efficient enough to generated carriers to modify the resistivity of the material. In addition, the nano-structuration of the material reduce tremendously the carrier lifetime, owing to switch from an “on” to “off” state fast enough to sample high frequency signals.The same function has been studied in the case where the signal is not carried electrically but optically. The all-optical gate function is realized using two photonic crystal resonators coupled together. The carrier generation by two-photon absorption induces a spectral shift of the resonance, used to modulate the transmission of the device. A fast all-optical gate, enabling signal processing up to 50 GHz is demonstrated here. The gate only requires a control power of about 200 fJ per pulses, which is low enough to use integrated optical sources (laser diodes) and, thanks to the small footprint, be easily integrated.

Aujourd’hui, les puces et capteurs provenant de la microélectronique ne sont plus simplement des circuits électroniques mais peuvent désormais véhiculer des signaux électriques et optiques. En témoignent les puces dites photoniques, utilisées pour la transmission de données à très haut débit. Cependant, cette technologie exploite une part très restreinte du spectre de la lumière, située dans le proche infrarouge. L’exploitation de l’ensemble du moyen infrarouge (λ=2-20 µm) permettrait la mise au point de nouveaux capteurs intégrés se servant des empreintes spectrales spécifiques des molécules dans cette partie du spectre électromagnétique.L’objet de cette thèse est de développer des circuits optiques intégrés sur silicium capables de véhiculer ces longueurs d’onde et qui soient compatibles avec des procédés de fabrication en salle blanche 200 mm. La technologie développée dans ces travaux est basée sur des guides carrés à saut d’indice en Si₀,₆Ge₀,₄ enterrés dans le Si, afin d’obtenir des circuits compactes et à faibles pertes. La conception des fonctions optiques nécessaires à la construction des circuits est tout d’abord présentée. Ces fonctions sont ensuite assemblées pour former un circuit optique qui sera fabriqué puis caractérisé afin de valider les performances de la technologie développée. Deux circuits ont ainsi été fabriqués : un premier a été réalisé avec un procédé standard tandis que le deuxième a été fabriqué avec un procédé de type damascène. La première réalisation offre l’avantage d’utiliser des procédés connus, tandis que la deuxième permet de fabriquer des guides pour différentes longueurs d’onde sur une même puce. Ces deux circuits ont été caractérisés afin de mener une étude comparative entre les deux procédés de fabrication. Enfin, dans un soucis de monter en maturité de la plateforme, une étude approfondie des réseaux de couplage sur des guides Si₀,₆Ge₀,₄ a été conduite. Celle-ci a donnée lieu à la fabrication et à la caractérisation de deux réseaux : un constitué d’inclusions d’air et un deuxième localement suspendu. / Nowadays, microelectronic chips and sensors are not simply electronic circuits anymore. They are able to convey both electric and optical signal. As shown by the so-called photonic chips used to transmit data at high speed rate. However, this technology only exploits a very small part of the light spectrum, namely in the near infrared. Exploitation of the whole mid-infrared domain (λ=2-20 µm) would allow to develop new integrated sensors using molecules specific spectral fingerprints in this part of the electromagnetic spectrum.This thesis deals with the development of integrated optical circuits on silicon capable of handling these wavelengths and compatible with 200 mm clean room fabrication processes. The technology developed in this work, is based on Si₀,₆Ge₀,₄ channel square waveguides in order to obtain compact and low loss optical circuits. First of all, the design of optical functions required to build circuits is presented. Then, these functions are assembled into circuits which are manufactured and characterized in order to assess performances of the developed technology. Two circuits have been produced: one with standard processes and one with damascene processes. The first one has the advantage of using known processes, whereas the second one allows to make waveguides for different wavelengths on a single chip. These two circuits have been characterized in order to conduct a comparative study between the two fabrication processes. Finally, in order to mature the technology, an in-depth study on grating coupler for Si₀,₆Ge₀,₄ waveguides have been conducted. It has led to the manufacturing and characterization of two grating couplers : one made of air inclusions and another locally suspended.

Les semi-conducteurs nitrures d'éléments III type GaN, AlN sont des matériaux extrêmement intéressants pour la photonique intégrée sur silicium. Ils sont transparents sur une gamme très étendue et possèdent des susceptibilités non linéaires non nulles, ce qui rend possible les expériences non linéaires d'ordre deux et d'ordre trois. Dans ce contexte, cette thèse a été consacrée à l'étude de circuits photoniques avec des micro-résonateurs tels que les cristaux photoniques et les microdisques en matériau GaN/AlN épitaxiés sur Si. Le dessin des microcavités et des procédés de fabrication ont été optimisés afin d’obtenir un mode résonant dans le proche infrarouge avec un facteur de qualité jusqu'à 34000 pour les cristaux photoniques et 80000 pour les microdisques. J’ai étudié sur ces circuits photoniques les propriétés de conversion harmonique telles que la génération de seconde harmonique (SHG) et la génération de troisième harmonique (THG). En utilisant les propriétés de la THG, en combinant simplement un objectif optique et une caméra CCD, j'ai effectué l'imagerie des modes de cristaux photoniques du proche infrarouge avec une résolution spatiale sub-longueur d'onde (300 nm). J'ai également effectué l'imagerie de SHG sur des microdisques avec une excitation optique en résonance avec un mode de galerie pour le laser pompe. La dernière partie porte sur l'étude de la SHG en accord de phase entre les modes TM-0-0-X et TM-0-2-2X en variant le diamètre du disque avec un pas extrêmement faible (8 nm). Cela a été effectué pour des modes résonants de facteurs de qualité autour de 10000. Ces résultats montrent le potentiel des semi-conducteurs de III-nitrures pour la réalisation de circuits optiques sur silicium à deux dimensions. / Nitride semiconductors are extremely interesting for integrated photonics on silicon. They have a large transparent window and dispose of non zero nonlinear susceptibilities which enable second and third order nonlinear experiments. In this context, this thesis has been devoted to integrated photonic circuits with microresonators such as photonic crystals and microdisks. The microcavity design and the fabrication process have been optimized in order to obtain a near infrared resonant mode with a quality factor up to 34000 for photonic crystals and 80000 for microdisks. I carried out harmonic conversion experiments such as second harmonic generation (SHG) and third harmonic generation (THG). With THG, by combining simply an optical objective and a CCD camera, I carried out near infrared photonic crystal modes imaging with a subwavelength spatial resolution (300 nm). I also did SHG imaging on microdisks with an optical excitation in resonance with the gallery mode for the pump laser. The last part of the work is dedicated to the demonstration of phase-matched SHG in microdisk photonic circuits between the TM-0-0-X and TM-0-2-2X modes by varying the microdisk diameter with a very small step (8 nm). These experiments have been done for resonant modes with quality factors around 10000.These demonstrations show the potential of III-nitride semiconductors for the realization of two dimensional optical circuits on silicon.

Les travaux de cette thèse ont porté sur la conception et la réalisation d'un dispositif d'éclairage surfacique à géométrie planaire à base de structures plasmoniques, pour un fonctionnement à 633nm. Ce dispositif sera capable de convertir une lumière incidente cohérente en un faisceau de sortie uniforme sur la surface du dispositif, collimaté et avec un angle prédéfini par rapport au plan du dispositif. Pour réaliser ce dispositif, la solution envisagée est l'utilisation d'un réseau de guides d'onde diélectriques pour répartir la lumière sur la surface, et de chaînes de nano-structures d'argent couplées aux guides, dimensionnées comme des antennes pour réémettre la lumière hors du plan.Les travaux réalisés ont mis en évidence le contrôle du couplage entre le guide d'onde et la chaine de nano-structures d'argent, modulable par plusieurs paramètres dans une gamme comprise entre 10% et 90 % : nombre de particules, dimensions des particules, distance entre le guide et les particules. En jouant sur la période de la chaine, il est possible d'obtenir un rayonnement hors-plan, avec un angle déterminé par la formule des réseaux de diffraction. Des émetteurs élémentaires, composés d’un guide et de chaines de particules, ont été fabriquées en salle blanche et caractérisés sur un banc d’optique guidée à l'aide d'un montage de projection dans le plan de Fourier. Les diagrammes de rayonnement expérimentaux sont en accord avec les simulations. De premiers résultats ont également confirmé expérimentalement la possibilité de moduler le couplage guide-chaine en modifiant les dimensions des particules. Enfin le réseau de guides d'onde a été dimensionné pour une surface d'1 cm² et fabriqué en lithographie par projection. Les pertes linéiques mesurées dans les guides d'onde sont de l'ordre de 5 dB/mm. Plusieurs optimisations peuvent être réalisées pour améliorer la qualité des guides. A partir des données expérimentales obtenues et des simulations de propagation de faisceau, une configuration réaliste de dispositif d’éclairage incluant le nombre et le positionnement des émetteurs sur le réseau de guides a été proposée. L’ensemble des travaux réalisés valident l’approche choisie. / This work has focused on the design and realization of a planar lighting device based on plasmonic structures, for a 633nm operation. This device will be able to convert a coherent incident light into a uniform output beam over the surface of the device, collimated and with a predefined angle with respect to the plane of the device. To achieve this feature, the proposed solution is the use of an array of dielectric waveguides to distribute the light over the surface, and silver nanostructures chains coupled to the waveguides and dimensioned as antennas to retransmit the light out of the plane. The work carried out has highlighted the control of the coupling between the waveguide and the silver nanostructures chain, modulated by several parameters in a range between 10% and 90%: the number of particles, particle size, distance between the guide and the particles. By playing on the period of the chain, it is possible to obtain an out-of-plane radiation, with an angle determined by the diffraction gratings formula. Elementary emitters, consisting of a guide and particle chains, were manufactured in a clean room and characterized on a guided wave optical bench with Fourier plane projection set-up. The experimental radiation patterns are in agreement with the simulations one. First results have also experimentally confirmed the possibility of modulating the waveguide-chain coupling by modifying the dimensions of the particles. Finally, the waveguide network has been dimensioned for an 1 cm² surface and manufactured with projection lithography. The linear losses measured in the waveguides are of the order of 5 dB / mm. Several optimizations can be made to improve the quality of the guides. From the experimental data obtained and the beam propagation simulations, a realistic configuration of the lighting device including the number and positioning of the transmitters on the waveguide network has been proposed. All the works carried out validate the chosen approach.

Le développement des systèmes photoniques aucours des dernières décennies, rendu possible parl’évolution des technologies de nanofabrication, a vul’apparition de nouveaux matériaux synthétiques tels queles cristaux photoniques, les métamatériaux, les plasmonsde surface, et plus récemment les structures dites « àsymétrie Parité-Temps ». La caractéristique de ces derniersmatériaux synthétiques est que bien qu’ils soient décrits parun Hamiltonien non-Hermitien, leurs valeurs proprespeuvent toutefois être réelles. En optique plusieursphénomènes physiques sont connus pour la ressemblancedes équations les décrivant, avec l’expression de ce typed’Hamiltonien en mécanique quantique. C’est le cas deséquations de modes couplés dans les lasers DFB.Ce travail de thèse a porté sur la conception, fabrication etétude de lasers DFB à couplage complexe, dans l’optiqued’appliquer le principe de symétrie Parité Temps (PT) à uncomposant fonctionnel. Ces lasers sont combinent un réseaupar l’indice et par les pertes, avec un déphasage spécifique.La simulation des modes dans la cavité, effectuée parméthode matricielle de Ables, a dévoilé l’avantageuxfiltrage apporté par les lasers DFB à couplage complexe, engardant un seuil faible. Le cas spécifique d’un déphasaged’un quart de période entre les deux réseaux, correspondantà une condition de symétrie PT, induit des effetsunidirectionnels d’amplification en réflexion.Des lasers DFB à couplage par l’indice, par les pertes et àcouplage complexe avec différentes phases entre les réseauxont été fabriqués selon les techniques courantes deréalisation de circuits photonique intégrés : lithographieélectronique et gravure ICP notamment.Les mesures de caractéristiques courant /puissancemontrent une diminution du courant de seuil des lasers àcouplage complexe en comparaison de leur équivalent àcouplage par les pertes, et un comportement monomodeplus robuste et plus systématique en comparaison de leuréquivalent à couplage par l’indice.Les variations d’indice réelle et imaginaire dans les cavitésont été mesurés à l’aide d’un laser externe.La résistance au retour optique de nos lasers a également étéétudiée. Les résultats montrent une corrélation entre latolérance au retour optique et le déphasage des réseauxd’indice et de pertes, sans montrer d’améliorationsignificative de cette résistance par rapport aux lasers DFBà couplage par l’indice.Ce premier « véhicule test » sur l’application de la symétriePT aux lasers à contre réaction répartie a permis d’obtenirdes perspectives encourageantes quant à l’amélioration desperformances des technologies existantes. Ce travailconforte l’intérêt de ce concept pour la conception de lasersDFB tolérant au feedback et leur intégration dans unsystème laser-modulateur fonctionnant sur la même base. / The development of photonics during the pastdecades, enabled by the advent of nanofabricationtechnologies, witnessed the appearance of new types ofartificial materials such as photonic crystals,metamaterials, plasmonic circuits, and more recently the socalled “PT symmetry” structures. The characteristic featureof this new type of artificial structures is that though theyare described by non-Hermitian Hamiltonians theireigenvalues can still be real. In optics, several physicalphenomena are known to obey equations that are formallyequivalent to that of Hamiltonians in quantum mechanics.During this work, we investigated the design, fabricationand characterization of complex-coupled DFB lasers, withthe intent to apply Parity-Time (PT) symmetry to apractical device. The mode selectivity inside the cavity isbrought by the combination of a gain-coupled and indexcoupledBragg grating, under the form of respectively acorrugated waveguide and a metallic absorbing surfacegrating.Through the simulation of the mode evolution insideconventional DFB lasers and complexe-coupled DFBlasers using Ables matrix method, the advantages ofefficient mode filtering while keeping a low thresholdcurrent was observed. The specific phase shift of a quarterperiod, matching the PT-symmetric configuration, is foundto show highly asymmetric mode selection, with unidirectionalamplification in reflection.Index, gain and complex-coupled DFB lasers with differentphase shifts between loss and index grating profiles werefabricated, using photonics integrated circuits fabricationbuilding blocks: electron beam lithography and inducedcoupled plasma dry etching to name but a few.The characterization of the fabricated lasers shows areduction in threshold compared to equivalent third ordergain-coupled DFB lasers, and improved monomodeoperation and yield compared to third order index-coupledDFB lasers.Real and imaginary parts of the index modulation as wellas reflection spectral response was investigated by externaloptical probing of the laser cavities.The resistance of the CC DFB lasers to external opticalfeedback was studied. If results show an apparentcorrelation between the gratings phase shift and thefeedback resistance, but no significant improvement wasfound with regards to IC DFB lasers.This first milestone on the application of PT-symmetry tothe design and fabrication of DFB lasers provide interestingprospects on the improvement of existing technologies.This work reinforces the interest of this concept for thedesign of feedback tolerant DFB lasers, and theirintegration in an all PT-symmetric laser-modulator system.

Le troisième Plan Cancer lancé en 2013 désigne la précocité du diagnostic comme l'un des enjeux majeurs pour l'amélioration de la prise en charge des patients. Malgré l’essor des modalités et des performances de l’imagerie médicale, il reste des défis à relever pour l’aide au diagnostic et optimiser le recourt à la biopsie.L’imagerie photonique et spécialement la fluorescence résolue spectralement a déjà été éprouvée pour la caractérisation ex vivo des tumeurs mammaires et pulmonaires, sans agent de contraste ou traitement des échantillons. Notre objectif est de caractériser les capacités d'un dispositif médical innovant, développé au laboratoire, utilisant une aiguille fibrée de faible calibre pour l’analyse spectrale de la fluorescence endogène de ces lésions in situ. Nos premiers travaux dans le cadre d’études précliniques et cliniques ont montré des différences significatives de signatures spectrales entre tumeurs bénignes et malignes ex vivo et in vivo. Nos résultats ont également mis en évidence les limites d’utilisation du dispositif, en termes de spécificité, pour certains types de lésions.Une étude secondaire a été entreprise sur des tumeurs mammaires afin d'identifier les entités tissulaires majeures à l'origine des signatures spectrales obtenues avec notre dispositif fibré. L'imagerie spectrale en microscopie confocale et seconde harmonique (SHG), en multiphoton, ont été mises en œuvre afin d’établir une cartographie de biomarqueurs endogènes des tissus mammaires. Nous avons confronter ses résultats aux données obtenues avec le dispositif d'aiguille fibrée afin de pouvoir le positionner non seulement comme une aide au diagnostic mais aussi comme une méthode prometteuse pour l’histopathologie in situ. / The third Cancer Plan, launched in 2013, identifies early diagnosis as one of the major challenges for improving patient care. Despite the growth in medical imaging modalities and performance, challenges remain in diagnosis aid and optimizing the use of biopsy.Photonic imaging and especially spectrally resolved fluorescence has already been tested for the ex vivo characterization of breast and lung tumors, without contrast agent or sample processing. Our goal is to characterize the capabilities of an innovative medical device, developed in the laboratory, using a low-caliber fibered needle for the spectral analysis of the endogenous fluorescence of these lesions in situ. Our early work in preclinical and clinical studies showed significant differences in spectral signatures between benign and malignant tumors ex vivo and in vivo. Our results also highlighted the limits the device, in terms of specificity, for certain types of lesions.Another study was conducted on mammary tumors in order to identify the major tissue entities at the origin of the spectral signatures obtained with our fibered device. Spectral imaging in confocal and second harmonic microscopy (SHG), in multiphoton, has been implemented in order to establish a mapping of endogenous biomarkers of mammary tissues. We compare its results with the data obtained with the fibered needle device in order to position it not only as an aid to diagnosis but also as a promising method for in situ histopathology.

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier des lasers semi-conducteur issus de la plateforme d’intégration III-V sur Si et présentant un faible bruit d’intensité relatif (RIN) pour le transport de signaux RADAR par voie optique. Nous cherchons à obtenir des lasers de comportement dynamique dit de «Classe A», i.e. avec une réponse dynamique sans oscillations de relaxation. Dans ce cas, il a été précédemment montré qu’un tel comportement dynamique présente un RIN limité au bruit de grenaille sur une large bande de fréquences et est obtenu quand la durée de vie des photons dans la cavité est grande devant la durée de vie des porteurs dans la zone active. La plateforme photonique sur silicium est alors intéressante car elle permet de réaliser des cavités longues grâce aux guides optiques offrant de faibles pertes de propagation, i.e. de l’ordre du dB/cm. En première approche, nous avons étudié des lasers dont la cavité de longueur centimétrique est composée d’une partie active fournissant le gain optique et d’une partie passive composée de guide en silicium à faibles pertes de propagation. Nous avons proposé différentes optimisations des pertes optiques intra-cavité ainsi que différentes solutions de filtrage spectral à grande finesse nécessaire à une oscillation laser monomode. La seconde approcheétudiée repose sur le filtrage du RIN d’un laser hybride de longueur millimétrique en exploitant les effets de saturation du gain optique dans un amplificateur optique à SC (SOA). Nous avons présenté un modèle décrivant les différents mécanismes altérant le bruit du laser amplifié par un SOA. Une étudeexpérimentale a permis de mettre en évidence la réduction du RIN d’un laser hybride III-V sur silicium, allant jusqu’à 15 dB pour des fréquences allant jusqu’à quelques GHz. La dernière approche explorée dans cette thèse repose sur la conception de lasers DFB hybride III-V sur silicium à très haut facteur de qualité. L’utilisation d’un réseau de Bragg à pas variable permet de réduire les pertes radiatives, usuellement importantes dans les lasers DFB, et d’obtenir une cavité de facteur de qualité de l’ordre de quelques millions. Un premier composant réalisé présente un facteur de qualité de 65 000. / The objective of the present thesis is to investigate new laser architectures with low Relative Intensity Noise (RIN) using the Silicon Photonics integration platform. We intend to reach “class-A” dynamics, in which relaxation oscillations are eliminated. In this conditions, lasers with class-A dynamics exhibit shot-noise limited RIN over a wide frequency bandwidth, typically from 100 MHz to 20 GHz. Such behaviour can be obtained with high-Q laser cavities, i.e with long cavities or with ultra-low losses cavities. The silicon photonics platform is a good candidate for the desired dynamical behaviour as it makes possible the implementation of long cavities (ten’s of cm) based on low losses silicon waveguides (dB/cm). Three different approaches have been considered in the present work. In the first approach, we have developed centimetre long lasers, consisting of an active section providing the optical gain coupled to a passive section made with low losses silicon waveguides. We proposed different approaches to optimize the intra-cavity optical losses, and different architectures of high finesse optical filters allowing simultaneously single-mode operation and high side mode suppression. The second approach consists on filtering the laser RIN by taking advantage of the coherent population oscillations effects in a SC Optical Amplifier (SOA). We proposed a model for describing the different mechanisms altering the RIN of the amplified laser. We demonstrated 15 dB RIN reduction for frequencies up to a few GHz, using a hybrid III-V on Si laser and a “classical” SOA. The last approach explored in the present thesis is based on the use of hybrid III-V on silicon DFB lasers with a high quality factor. Using Silicon Bragg grating with a variable pitch can reduce the radiative losses, usually important in DFB lasers. In this case, we can obtain optical cavities with few millions quality factor, leading to few ns photon lifetime. We realize a first design of Si Bragg grating with a Q factor of 65 000.