Dans le moyen-infrarouge, les barrettes de lasers à cascade quantique sont d’un grand intérêt pour la réalisation de sources large bande intégrables dans les systèmes de spectroscopie laser. Une excellente finesse spectrale, la présence d’un seul mode spatial et une gamme d’accordabilité large sont ainsi rassemblées sur une seule puce, compacte et intrinsèquement stable. Afin de bénéficier de l’ensemble des longueurs d’onde sur une sortie unique, les défis majeurs résident dans l’association de technologies pour rassembler les différentes sorties en une seule via l’utilisation de circuits photoniques intégrés (CPI). Ce CPI peut être séparé en trois briques élémentaires : une filière de guidage passif, un combineur de longueurs d’onde et un coupleur actif/passif. Pour la mise-en-forme du faisceau, nous reportons la fabrication et la caractérisation de guides d’onde en InP/InGaAs/InP gravés profondément, avec des performances proches de l’état de l’art. Nous fabriquons et caractérisons des multiplexeurs basés sur des réseaux de diffraction intégrés, sur filière InP et SiGe. Un multiplexeur de 60-vers-1 voies couvrant la gamme de 7-8,5 µm est réalisé. Une méthode innovante mettant en œuvre des multiplexeurs inter-digités et fonctionnant sur trois ordres de diffraction est démontrée. Finalement, nous réalisons des barrettes de laser à cascade quantique sur InP et sur silicium. Un coupleur adiabatique est dimensionné, fabriqué et caractérisé pour associer efficacement les guides actifs et passifs. Des intégrations de types hétérogène et hybride sont envisagées, avec la première démonstration d’une source accordable utilisant une barrette de lasers et un multiplexeur InP. / In the mid-infrared, arrays of distributed feedback quantum cascade lasers have been developed as a serious alternative to obtain extended wavelength operation range of laser-based gas sensing systems. Narrow-linewidth, single mode operation and wide tunability are then gathered together on a single chip with high compactness and intrinsic stability. In order to benefit from this extended wavelength range in a single output beam, the key challenge resides in the combination of different technologies to merge the output of different sources via the use of mid-IR photonic integrated circuits (PIC). The PIC can be split into three main blocks: the passive waveguide platform, the beam combiner and the active/passive coupler. For beam handling and guiding, we report fabrication and characterization of deeply etched InP/InGaAs/InP waveguides with state of the art performances. We fabricate and characterize multiplexers based on echelle and arrayed waveguide gratings on InP and SiGe platforms. A 60-to-1 spectral multiplexer operating in the 7-to-8.5 µm range is demonstrated. An advanced multiplexing scheme using interleaved and cross-order operations is also exposed. Finally, we realize quantum cascade laser arrays on InP and silicon. We design, fabricate and characterize an adiabatic coupler to efficiently and monolithically integrate active and passive waveguides. Heterogenous and hybrid integration are also considered with the demonstration of a tunable source using laser array and InP-based multiplexer.

Les diodes électroluminescentes sont aujourd’hui des sources lumineuses populaires grâce leur prix réduit, leur longévité, et leur excellent rendement lumineux. Elles restent pourtant mal adaptées au pompage laser en raison dune densité de puissance trop faible et dune émission lambertienne rendant impossible l'augmentation de leur brillance laide d'un système optique linéaire. Nous proposons une méthode d'amplification innovante par couplage des LED dans des concentrateurs luminescents (LC) pour augmenter la densité de puissance de près d'un ordre de grandeur. Des LC monocristallins de YAG dopé cérium ont été testés puis analysés grâce à des simulations par tracé de rayons. Un modèle analytique offrant une compréhension avancée de la problématique de l'extraction des rayons piégés dans les LC a aussi été proposé et appliqué l'étude de modifications géométriques simples que sont le biseau et le dépoli de la face de sortie des concentrateurs. Une amélioration significative de l'intensité extraite ainsi qu'un resserrement du profil angulaire d'émission ont ainsi été observés. Finalement, nous avons mis en place une structure toute organique pour le pompage de guides micrométriques où le couplage des LED est réalisé dans des concentrateurs en couche mince. Une amplification d'un ordre de grandeur de la densité de puissance par pompage indirect par concentrateur est vérifiée expérimentalement, ce qui ouvre la voie vers une utilisation du couple LED/concentrateur en tant que source pour la photonique intégrée. / Electroluminescent diodes are popular sources due to their low cost, their reliability, and their excellent luminous efficiency. However, the power density of lambertian sources such as LED cannot be improved with linear optics which makes them not suited to laser pumping. We propose to increase the LED power density by one order of magnitude by coupling them in luminescent concentrators (LC). We studied these luminescent concentrators as illuminating sources using LC made of cerium doped YAG crystals (Ce:YAG) and we analyzed their performances using ray tracing simulations. For a deeper understanding of the challenge of extracting trapped rays in luminescent concentrators, a fully analytical model is also presented and used to study the influence of simple geometrical modifications such as wedging or roughening the luminescent concentrators output face. A significant increase of the light intensity was experimentally observed as well as a shrinking of the angular distribution. Finally, we set up a full organic structure with a LED source associated to thin film luminescent concentrators in order to pump micrometer-sized multimode waveguides. We demonstrated a one-order of magnitude amplification compared to a direct pumping with the same power density. It makes the LED/concentrator light source well suited for integrated optics and opens new perspectives whenever

Dans les prochaines décennies, les limites des systèmes de communications optiques actuels seront atteintes à moins d'adopter de nouvelles solutions. L'une d'elles est l'utilisation d'une nouvelle plage spectrale autour de 2 µm stimulée par l'apparition des amplificateurs fibrés dopés thulium. Dans ce manuscrit, nous nous y intéresserons dans le cadre de transmissions très courtes distances sur puces photoniques. Divers matériaux, dont le dioxyde de titane, seront ainsi explorés.Ce travail de thèse a deux principaux objectifs. D'une part, il vise à démontrer que le dioxyde de titane (TiO2), matériau encore peu exploré, est prometteur pour des applications télécoms en le comparant à des plateformes plus matures. D'autre part, il tend à introduire la bande spectrale autour de 2 µm comme une solution à envisager pour les télécommunications de nouvelle génération.Plus précisément, la première partie de cette thèse a pour but de développer une technique pour coupler efficacement la lumière dans les structures en TiO2). Pour la première fois, une configuration faisant appel à un réseau métallique enterré a été évaluée numériquement avant d'être caractérisée expérimentalement. La seconde partie présente des transmissions télécoms haut-débit (10 Gbit/s) autour de µm réalisées sans erreurs dans des guides d'ondes sub-longueur d'onde ou multimodes en dioxyde de titane, silicium ou silicium-germanium. Pour terminer, des fonctions non-linéaires sont explorées sur ces puces photoniques. Il a été ainsi démontré une conversion en longueurs d'onde à 2 µm atteignant -10dB sur silicium ou la génération du premier supercontinuum s'étalant du visible à 2 µm dans un guide d'onde en TiO2. / In the next decades, the limits of current optical communication systems will be reached unless new solutions are adopted. On of them is the use of a new spectral range around 2 µm enabled by the emergence of thulium-doped fiber amplifiers. In this thesis, we will focus on it in the context of very short distances transmissions on photonic chips. Various materials, mainly titanium dioxide (TiO2), will be explored.This thesis work has two main objectives. On the one hand, it aims to demonstrate that a material relatively unexplored, titanium dioxide, is promising for telecom applications by comparing it to more mature plateforms. On the other hand, it tends to introduce the spectral band around 2 µm as a solution to be considered for next-generation communications.More precisely, the first part of this thesis aims to develop a technique to efficiently couple light in TiO2 structures. For the first time, a configuration using a buried metallic grating was evaluated numerically and then characterized experimentally. The second part presents error-free high-speed (10 Gbit/s) telecom transmissions around 2 µm carried out in subwavelength or multimode waveguides in titanium dioxide, silicon or silicon-germanium. Finally, nonlinear functions are explored on the photonic chips. Thus, it has been demonstrated a wavelength conversion at 2 µm reaching -10dB on a silicon waveguide or the first supercontinuum generation spreading from visible to 2 µm wavelength in a TiO2 waveguide.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de sources prévues pour fonctionner à la fois comme diode laser et comme oscillateur paramétrique optique. Ces lasers sont conçus pour émettre sur un mode d’ordre supérieur afin de permettre une conversion de fréquence paramétrique avec les modes fondamentaux du guide à la fréquence moitié. La diode laser et l’OPO partagent la même cavité optique ; pour assurer l’accord de phase et corriger les écarts à la structure nominale induits lors de l’élaboration par épitaxie, la largeur de ruban est utilisée comme paramètre de contrôle des indices efficaces. Les diodes proposées sont donc étroites (3-5 µm) et gravées profondément. En conséquence, il est potentiellement intéressant d’utiliser des boîtes quantiques pour limiter les recombinaisons non radiatives sur les flancs. Dans le cadre de ce travail, nous avons conçu des diodes basées sur ce principe pour les deux systèmes GaAs/AlGaAs et InGaAsP/InP, qui permettent respectivement d’obtenir potentiellement une émission OPO au voisinage de 2 µm ou de 3 µm. Dans le cas de l’InGaAsP/InP, nous avons étudié au préalable l’indice de réfraction des alliages InGaAsP dans une plage de longueur d’onde jusque-là non couverte par la littérature. Ces données ont été acquises via des mesures d’indice efficace (m-lines) de couches guidantes d’InGaAsP épitaxiées en accord de maille sur un substrat d’InP. Pour des structures laser-OPO optimisées, les simulations montrent que le seuil OPO devrait être obtenu pour une puissance de pompe intracavité de quelques centaines de mW, qu’il est réaliste d’atteindre pour des diodes laser à l’état de l’art. Nous avons étudié les propriétés électro-optiques de diodes lasers à puits quantiques GaAs/AlGaAs réalisées sur la base de nos dessins; l’observation de l’effet laser sur le mode TE2 valide le dessin vertical original de nos diodes lasers. En vue de la fabrication de laser-OPO à ruban étroit, nous avons développé des procédés de fabrication nouveaux sur la Plateforme Technologique Amont (CEA – Grenoble), notamment la gravure profonde (>10 µm) par ICP-RIE. Enfin, nous avons proposé un concept alternatif de diode-OPO, comprenant des cavités laser et OPO distinctes couplées par un taper adiabatique / The work presented in this thesis deals with the design, fabrication and characterization of sources intended to function as both laser diodes and optical parametric oscillators. These lasers are designed to emit on a higher order mode to allow parametric frequency conversion with fundamental modes of the guide at half frequency. The laser diode and OPO share the same optical cavity; to ensure phase matching and correct nominal structure deviations induced during epitaxial processing, the ridge width is used as a control parameter of the effective indices. The proposed diodes are therefore narrow (3-5 μm) and etched deeply. Consequently, it is potentially interesting to use quantum dots to limit non-radiative recombination on the sidewalls. In the context of this work, we have designed diodes based on this principle for the two GaAs/AlGaAs and InGaAsP/InP systems, which respectively allow to potentially obtain an OPO emission in the vicinity of 2 μm or 3 μm. In the case of InGaAsP/InP, we previously studied the refractive index of InGaAsP alloys in a wavelength range not covered by literature to this day. This data was acquired via effective m-line index measurements of InGaAsP guiding layers epitaxially grown on and lattice-matched to an InP substrate. For optimized laser-OPO structures, simulations show that the OPO threshold should be obtained for an intracavity pump power of a few hundred mW, which is realistic to achieve for state-of-the-art laser diodes. We have studied the electro-optical properties of GaAs/AlGaAs quantum well laser diodes made on the basis of our designs; the observation of the laser effect on the TE2 mode validates the original vertical design of our laser diodes. For the manufacture of narrow-ridge lasers-OPOs, we have developed new manufacturing processes on the Plateforme Technologique Amont (Upstream Technology Platform, CEA - Grenoble), including deep etching (> 10 μm) by ICP-RIE. Finally, we have proposed an alternative diode-OPO concept, comprising distinct laser and OPO cavities coupled by an adiabatic taper

Les guides d'onde plasmoniques induits par un ruban diélectrique (DLSPPWs pour "Dielectric Loaded Surface Plasmon Polariton Waveguides") permettent de transmettre à une échelle sub-longueur d'onde, des signaux électriques et plasmoniques (ondes optiques à l'interface entre un métal et un diélectrique) dans la même circuiterie. De plus, l'utilisation d'un ruban de polymère comme diélectrique permet de fonctionnaliser ces DLSPPWs. Cette configuration est par conséquent d'un grand intérêt pour des applications en photonique intégrée. Néanmoins, les DLSPPWs souffrent de pertes importantes en raison de la dissipation dans le métal. Nous abordons le problème en montrant qu'il est possible de compenser les pertes en utilisant une configuration analogue à celle d'un amplificateur optique. Nous mettons d'abord en place les outils théoriques (modèle de l'indice effectif), numériques (méthode différentielle et méthode de la fonction de Green) et expérimentaux (microscopie à fuites radiatives) adaptés à l'optimisation et la caractérisation des DLSPPWs. Une fois le confinement modal maximisé à la longueur d'onde telecom λ=1.55 µm, nous considérons un polymère dopé avec des boîtes quantiques. Le mode plasmon guidé dans le système polymère dopé-métal est excité pendant qu'un laser pompe les boîtes quantiques dans leur état excité. La relaxation des boîtes quantiques par émission stimulée de plasmon-polariton de surface apporte un gain optique. Ce phénomène est caractérisé par microscopie à fuites radiatives dans l'espace direct et dans l'espace réciproque. Cette démonstration représente un élément clé pour la photonique intégrée et l'interconnexion de circuits tout-optiques miniaturisés.

Dans le domaine de la nanophotonique, la compréhension des phénomènes optiques liés au guidage sub-longueur d'onde dans des structures pleines (nanofils) ou creuses (nanotubes) est un enjeu prioritaire. L'objectif de cette thèse a porté sur l'étude de la propagation lumineuse au sein de nouveaux guides d'onde nanométriques passifs et actifs. Pour cela, des nanofils et nanotubes à base de polymère ont été conçus et élaborés par méthode wetting template. Afin de caractériser leur comportement optique et en particulier la propagation sub-longueur d'onde, de nouveaux outils expérimentaux et numériques ont été développés. La modélisation des phénomènes propagatifs dans ces nanofibres a été effectuée par la méthode numérique FDTD. Les effets de la géométrie de ces nanofils et nanotubes, de par leurs dimensions (diamètres externe et interne pour les nanotubes) et du substrat sur le comportement propagatif et le niveau des pertes ont en particulier été déterminés. Sur le plan expérimental, deux types de nanofibres on été utilisés : - des nanofibres "passives" à base de polymère SU8 et - des nanofibres "actives" comportant un polymère guidant la lumière et un luminophore servant de source à l'échelle nanométrique. Pour l'étude des nanofibres de SU8, l'injection directe a été réalisée par le biais d'une fibre optique microlentillée. Un résultat marquant est l'évaluation des pertes optiques mesuré par la méthode cut- back autour de 1,25 dB/mm pour des nanotubes aux diamètres externes et internes respectivement de 240 nm et 120 nm. Cette évaluation de pertes optiques apparaît très compétitif comparativement à d'autres systèmes actuellement envisagés pour la nanophotonique intégrée. Concernant les nanofibres actives qui comportent des luminophores (cluster organométalliques ou polymère fluorescent PFO), nos études ont validé l'excitation du mode propre par caractérisation dans l'espace de Fourier. Nos résultats ont montré le potentiel de ces nanofibres organiques comme briques pour la nanophotonique. / In the field of nanophotonics, the understanding of optical phenomena related to sub-wavelength guiding in filled structures (nanowires) or hollow (nanotubes) is a priority. The objective of this thesis focused on the study of light propagation in new passive and active nanoscale waveguides. For this, nanowires and nanotubes based polymer has been designed and developed by template wetting method. To characterize their optical behavior and in particular the sub-wavelength propagation, new numerical and experimental tools have been developed. Modelling phenomena propagating in these nanofibers was performed by the numerical FDTD method. The effects of the geometry of these nanotubes and nanowires, by their size (outer and inner diameter for nanotubes) and propagating on the substrate and the behavior of losses have been determined in particular. Experimentally, two types of nanofibers have been used: - "passive" nanofibers based on SU8 polymer and - "active" polymer nanofibers having a waveguiding polymer and a luminophor as a source at nanoscale. To study nanofibers SU8, direct injection was performed through an microlensed optical fiber. A striking result is the assessment of optical losses measured by the cut-back around 1.25 dB/mm for nanotubes to external and internal diameters respectively 240 nm and 120 nm. This assessment of optical losses appear very competitive compared to other systems currently envisaged for integrated nanophotonics. Regarding the active nanofibers which comprise luminophors (organometallic cluster or fluorescent polymer PFO), our studies have validated the excitation of mode by characterization in Fourier space. Our results showed the potential of organic nanofibers as bricks for nanophotonics.

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la fabrication et la caractérisation de résonateurs nano-optomécaniques sous forme de disques en arséniure de Gallium (GaAs). Ces disques sont à la fois des résonateurs mécaniques oscillant au GHz, et des résonateurs optiques à mode de galerie à haut facteur de qualité (>10^5). En confinant l'énergie mécanique et optique sur un volume sub-µm^3, ils permettent d'atteindre un couplage optomécanique extrêmement large (g0 >1 MHz). Nous présentons les développements technologiques ayant permis l'intégration de ces résonateurs avec des guides de couplage optique directement sur échantillon semi-conducteur, tout en maintenant des performances à l'état de l'art. Nous discutons les différents mécanismes de couplage optomécanique (pression de radiation, photoélasticité) dans les disques GaAs, ainsi que les sources de dissipation optique et mécanique dans ces résonateurs. Nous présentons également des expériences d'optomécanique à l'air libre et en cryostat à basse température, allant de la mesure du mouvement brownien et l'observation de rétroaction dynamique, jusqu'à des premières tentatives d'approche du régime quantique du mouvement. Enfin, nous présentons un développement nano-optomécanique complémentaire mené sur le matériau nitrure de silicium (SiN), aboutissant à la fabrication de résonateurs à mode de galerie sur puce à haut facteur de qualité. Après l'étude des instabilités optiques et de la dynamique d'auto-pulsation de ces résonateurs, nous présentons des premières signatures de couplage optomécanique dissipatif dans ces systèmes.