Le projet de thèse est divisé en deux parties. D’une part, la génération directionnelle et singulière de plasmons de surface (SPPs) par des ouvertures nanométriques a été réalisé et optimisé par le biais de microscopie de fuites radiatives (LRM). Nous démontrons expéri- mentalement qu’une structure plasmonique composée de nano-ouvertures en forme de T et Λ permet de contrôler le couplage unidirectionnel et radialdes SPPs grâce au spin de la lumière incidente. Pour confirmer nos résultats expérimentaux, nous développons un modèle analytique qui décrit les coupleurs plasmoniques constitués de nano-ouvertures par représentation multidipolaire, permettant ainsi une explication théorique de la directionalité et de la formation de vortex plasmonique. L’optimisation des paramètres géométriques tels que l’angle au sommet des ouvertures en forme de Λ montre la possibilité de maximiser la directivité et le taux d’extinction à la fois pour le couplage directionnel et la génération des vortex dans le champ lointain. Parailleurs, notre méthode basée sur la détection LRM, permet une analyse quantitative et est avérée être une technique de caractérisation sophistiquée pour cartographier le champ plasmonique. Il fournit également plusieurs nouvelles possibilités pour la focalisation de SPP contrôlée en polarisation.D’autre part,le couplage spin-orbite de la lumière dans un guide et son effet réciproque sont réalisées et confirmées expérimentalement et théoriquement. Les coupleurs et découpleurs réseaux sur le guide d’ondes sont d’abord développés et étudiés. La sortie parfaite de la lumière confinée par le découpleur nous offre la possibilité de détecter les ondes guidées. La fluorescence des nanocristaux déposés sur la surface de l’échantillon montre une autre possibilité de visualiser directement la propagation de la lumière dans le guide d’onde. Le couplage directionnel contrôlé par spin est réalisé par des antennes en forme de Λ et est confirmé par des images en champ sombre avec des découpleurs et des images de fluorescence. En outre, l’effet réciproque est observé avec une imperfection de polarisation de sortie qui est expliqué théoriquement par le fait que les ordres de diffraction par les antennes en forme de Λ influent sur les états de polarisation finaux. Ainsi, l’effet réciproque est parfaitement réalisé par la sélection d’une région spécifique de diffraction dans le plan de Fourier. La caractérisation quantitative des interactions spin-orbite nous permet d’envisager le développement de nouveaux coupleurs directionnels dans le domaine de la nanophotonique tels que le traitement quantique de l’information. / In this project, two contributions are reported. Firstly, the directional and singular generation of Surface Plasmon Polaritons (SPPs) in the nanoapertures is investigated using the Leakage Radiation Microscopy (LRM). We demonstrate experimentally spin-driven directional coupling as well as singularity (inward) and vortex (outward radial coupling) of SPPs by nanostructures built with T-shaped and Λ-shaped apertures.To support our experimental findings, we develop an analytical model based on a multidipolar representation of Λ- andT-shaped aperture plasmonic couplers, allowing a theoretical explanation of both directionality and singular SPP formation. The optimal apex angle of Λ-shaped apertures shows the possibility to maximize the directiviy and extinction ratio for both directional coupling and singular SPP generation in the far field. Besides, our method based on LRM detection, allows quantitative analysis and is proven to be a sophisticated characterization technique for mapping the SPP vortex field.It also provides several new possibilities for polarization-controlled SPP sub-wavelength focusing.Secondly, the spin-orbit coupling of light into a photonic waveguide and its reciprocal effect are realized and confirmed both experimentally and theoretically. Coupler and decoupler gratings on the waveguide are firstly developed and investigated. The radiation of the confined light from the decoupler provides us a possibility to detect the guided waves. The fluorescence of nanocrystals deposited on the sample surface shows another possibility to directly visualize the light propagation in the waveguide. The spin-driven directional coupling is achieved by Λ-shaped antennas and is certified by the dark field images with decouplers and the fluorescence images. Furthermore, the reverse effect is observed with an imperfection of output polarization which is explained that the diffraction orders by the Λ-shaped apertures influence the final polarization states based on an analytical model. Thus, the reciprocal effect is realized by selecting the specific diffraction region on the Fourier plane. We believe that the quantitative characterization of spin-orbit interactions will pave the way for developing new directional couplers in the field of nanophotonics such as quantum information processing and so forth.

Les biopuces sont des outils d'analyse et de diagnostic de plus en plus utilisés dans le domaine de la génétique et de la pharmacie. Cette thèse s'est plus particulièrement intéressée aux puces à ADN qui sont constituées d'un support sur lequel sont fixés des brins d'ADN. On détecte l'hybridation de ces brins avec des cibles de séquence complémentaire présentes au sein d'un échantillon. Cette détection se fait généralement par des mesures de fluorescence. En l'absence de marqueurs fluorescents on utilise souvent une détection par résonance plasmon. Cette thèse a permis de développer de nouvelles architectures visant à améliorer les performances finales de ces dispositifs. La sensibilité (optimisation de la densité de sondes), la sélectivité (minimisation des adsorptions non spécifiques) et la reproductibilité sont très fortement dépendantes de la structure et des propriétés physico-chimiques de la première couche moléculaire utilisée pour l'immobilisation des sondes. L'incorporation d'une couche de silicium amorphe carboné au sein de l'architecture a permis de tirer profit des avancées réalisées ces dernières années dans la chimie de greffage du silicium. En optimisant les caractéristiques de cette couche, on réalise des biopuces présentant une grande stabilité et une sensibilité augmentée tant pour la fluorescence que pour la résonance plasmon. En combinant les deux techniques au sein d'un même capteur réutilisable, on peut détecter in situ et en temps réel l'hybridation de brins d'ADN présents dans une solution très diluée (5 10-15 mol/L) et discriminer efficacement des cibles présentant seulement un mésappariement dans leur séquence.

Surface plasmon waves are transverse magnetic electromagnetic waves propagating along a dielectric-metal interface. These waves can be excited by resonant absorption of electromagnetic radiation leading to surface plasmon resonance (SPR) at the interface. The resonance is characterised by a reduction in the intensity of the reflected light at the interface due to strong coupling of incident optical radiation to surface plasmons. This gives rise to a minimum at a sharply defined angle of incidence, referred to as SPR angle or plasmon angle. The phenomenon of SPR has been extensively used in the past to develop reflective type optical devices for sensing applications on account of the high dielectric function dependent sensitivity of the SPR angle. Basically, devices which exhibit this phenomenon have a structure consisting of a metal film sandwiched between two dielectrics. The reflectivity of such a device is theoretically modelled based on either theory of thin films (Fresnel's model) or theory of resonance (Lorentzian model). These models have very effectively predicted the behaviour of such devices based on the shift in SPR angle due to the dielectric function variations. We have been investigating the SPR device for intensity based metrological applications utilising its high angular sensitive reflectivity, with fixed SPR angle. In these intensity based applications or measurements, direct and simple expressions connecting intensity variation to angular change are unavailable in the literature and quantitative estimation or data inversion is based on either curve fitting or iterative methods. Fresnel and Lorentzian models have commonly been used in the experiments but data inversion through the Fresnel model is computationally complex and the Lorentzian model, although less complicated, gives erroneous results due to its approximate nature. In order to obtain a simple expression between intensity variation and the angular change, we have re-looked at the two existing models in order to derive an expression which has the simplicity of the Lorentzian model and the accuracy of the Fresnel model in the experiments with fixed plasmon angles. These efforts have been particularly directed to understand the relationship between intensity variation and meteorologically important properties of such devices. This thesis is an attempt to summarize the computational results which have led us to some novel experimental methodologies which have been used to exploit these devices for inverse type, illumination specific, SPR based applications. The work presented in this thesis is organised in six chapters. Chapter 1, gives an overview of optical sensing, theory of surface plasmons, excitation schemes for surface plasmons, development of the SPR device and its characterisation. It also includes a brief literature review in the area of surface plasmon resonance, covering both the theoretical and experimental aspects. The objectives of the work and the scope of the thesis are also presented. Chapter 2 presents the existing models of SPR device, based on Fresnel's and the Lorentzian models. These models allow reflectance calculations from knowledge of either the optical parameters that describe the layers or the parameters of the waves that propagate through them. Using these models, the inverse problem of estimating either the angle of incidence or the optical constants of the layers of the sensors utilizing the intensity based measurements is generally difficult. In order to solve this problem where the plasmon angles are fixed, a modified formalism for the angle scanned SPR spectrum of a three-layered SPR sensor is presented in this chapter. The new formalism regroups the wave vector parameters of Lorentzian resonance theory into a set of non-dimensional parameters 1, 4K and R. The new reflectivity index (1), which is the ratio of reflectance to the absorptance, has been introduced to help explain the physical processes underlying the device operation in the high sensitivity region of the characteristics. The parameter 4Kis a constant of the device and it depends on the dielectric constants of the device. This is a new SPR index and is identified at a point where reflectance and absorptance match. Parameter R is related to the loss mechanisms in the device and will be explained in detail in Chapter 3. This simple model links the new reflectivity index (1) to the angular detune from SPR angle (ΔƟ) and it brings out a parabolic variation of ΔƟ with 1. In this chapter the mathematical derivation of the proposed model is presented and the significance of the new parameters 1, 4Kand Rare discussed. Chapter 3 evaluates the characteristic nature of errors associated with the predictions from the proposed model and presents methods for neutralizing them. It is demonstrated with the help of the function K which is linearly dependant on 1, that the proposed model predicts the reflectance from the wave vector parameters as accurately as the Fresnel's model. This R parameter explains the slowly varying nature of the radiative loss with the angle of incidence and this variation contributes significantly to the SPR characteristics. As a consequence, it is found that the SPR characteristics can be represented as a sum of two primary functions which are parabolic and linear, respectively, and this leads to the easy explanation of the SPR characteristics. The present chapter also discusses a new observation that the angle-scanned SPR spectrum can be accurately described using a straight line in intercept form. The intercept value depends on 4Kand the slope depends on K. In addition to this, this chapter discusses practical methods for estimation of the intercept and the slope of such a straight line which are functions of the key wave vector parameters. A detailed discussion on the proposed model highlighting its advantages for inverse type, illumination specific, SPR-based applications with fixed SPR angle is also presented. Chapter 4 describes the applications of the proposed model for optical constant measurements. The first part highlights a new approach for the determination of the dielectric constants of the metal film used for the optimised- or nearly-optimised SPR sensors using the proposed model. In the complex dielectric constant, the real part is calculated from the SPR angle and the imaginary part from 4K. A discussion on the dielectric constant study of silver and gold metal film is presented. The advantages of the proposed approach such as its simplicity and direct methodology are then discussed. The second part of the chapter also proposes a new approach to carry out measurements on the absorbance of the medium with enhanced sensitivity utilising the parameter 4K It describes a computational study on the variation of 4K values with the dielectric function and highlights the relationship of 4K variation due to the imaginary part of the dielectric function (absorption) of the samples. The physical processes causing a change in the value of 4Kdue to absorption is also discussed along with some computational results. Chapter 5 reports the study carried out to bring out the importance of the new index,4K in metrological applications. Based on the new model, the effect of the laser beam divergence on SPR curve is studied. This chapter first of all discusses the design of the SPR device and the new methods for the development and characterisation of such a device. Details of the experimental procedure for laser divergence evaluation are proposed along with some of the significant computational results. Furthermore, a few applications such as focal length measurement of optical lenses, micro-displacement measurement based on the divergence of the laser beam are also reported. Since the SPR characteristics can be represented easily using the new model, the angular dependent intensity variation can be utilised for some metrological applications with simple data processing. In this context, the high angular sensitivity of the SPR device is studied and some applications such as micro-displacement measurement, pressure measurement and optical wedge angle measurement are included to highlight the above advantages. The last chapter, Chapter 6, gives a summary and conclusions of the work presented in the thesis. The scope for future investigations is also included in this chapter.

Les plasmons polaritons de surface (SPP) et les plasmons localisés de surface (LSP) font l’objet de nombreuses investigations du fait de leur fort potentiel technologique. Récemment, une attention particulière a été portée à des systèmes supportant ces deux types de résonances en déposant des nanoparticules (NPs) métalliques sur des films minces métalliques. Plusieurs études ont mis en évidence le couplage et l’hybridation entre modes localisés et délocalisés. Cependant, une compréhension en profondeur des propriétés optiques et du potentiel de ces interfaces est toujours manquante. Nous avons mené ici une étude de systèmes NPs/film couplés. Nous avons étudié à la fois expérimentalement et théoriquement l’influence d’une couche séparatrice ultra-mince en SiO2 ainsi que l’évolution des différents modes plasmoniques pour différentes épaisseurs. Nous avons ainsi mis en lumière que de tels systèmes couplés offrent des propriétés optiques exaltées et une large accordabilité spectrale. Nous avons aussi cherché à diminuer l’épaisseur de la couche séparatrice vers le cas ultime monoatomique en utilisant le graphène. Du fait du caractère non-diélectrique de celui-ci, nous avons mis en évidence un comportement optique inattendu de la résonance plasmonique. Nous avons expliqué celui-ci par la mise en évidence du dopage du graphène par les NPs, ce qui est un premier pas en direction de dispositifs optoélectroniques à base de graphène. Enfin, après avoir amélioré notre compréhension théorique de ces systèmes, nous avons évalué leur potentiel comme capteurs SERS ou LSP / Surface plasmon polariton (SPP) and Localized surface plasmon (LSP) have attracted numerous researchers due to their high technological potential. Recently, strong attention was paid to the potential of SPP and LSP combinations by investigating metallic nanoparticles (NPs) on top of metallic thin films. Several studies on such systems have shown the coupling and hybridization between localized and delocalized modes. In this work, we propose a full systematic study on coupled NP/film systems with Au NPs and Au films. We investigate both experimentally and theoretically the influence of an ultra-thin SiO2 dielectric spacer layer, as well as the evolution of the plasmonic modes as the spacer thickness increases. We show that coupled systems exhibit enhanced optical properties and larger tunability compared to uncoupled systems. We also compare these results with those measured for coupled interfaces using graphene as a non-dielectric sub-nanometer spacer. Introducing graphene adds complexity to the system. We show that such coupled systems also exhibit enhanced optical properties and larger tunability of their spectral properties compared to uncoupled systems as well as unexpected optical behavior. We explain this behavior by evidencing graphene doping by metallic NPs, which can be a first step towards graphene based optoelectronic devices. After establishing a deep understanding of coupled systems we perform both SERS and RI sensing measurements to validate the high potential of these plasmonic interfaces

Avec un monde industriel dont l’un des enjeux est la miniaturisation, l’échelle nanométrique est la prochaine étape à maîtriser. Les nanosources optiques, basées sur un fort confinement de la lumière, devraient permettre d’alimenter les futurs dispositifs nanophotoniques. Depuis que Purcell a démontré que les propriétés d’émission de lumière ne sont pas intrinsèques aux luminophores, la communauté scientifique vise à comprendre et contrôler ces propriétés. Les nanoparticules ou structures métalliques permettent de modifier ces propriétés de luminescence en influant sur l’efficacité d’émission, l’efficacité d’excitation ou encore la redirection de l’émission des émetteurs de lumière. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous sommes focalisés sur l’étude de ce couplage au travers de structures simples composées de nanoparticules entourées de fluorophores, afin de discriminer l’effet de ce couplage à différentes distances séparant le métal de l’émetteur. Nous dégageons trois processus principaux : une forte inhibition de luminescence lors d’une grande proximité entre les émetteurs et le métal, une exaltation de luminescence à distances légèrement plus élevées, et une exaltation de l’excitation. Nous montrons par la suite qu’il est possible d’utiliser cette exaltation de l’excitation pour augmenter les effets d’absorption multiphotonique. Enfin nous ouvrons sur une nouvelle possibilité pour les travaux futurs : l’utilisation de l’aluminium pour utiliser ses possibilités plasmonique dans l’ultra-violet pour réfléchir à des nanosources UV / In an industrial world where one of the most important issues is miniaturization the next step is to master nanometric scale. Optical nanosources, which are based on a strong light confinment, should allow to supply the next nanophotonic devices. Since Purcell demonstrate that light emission properties are not inhérent to optical emitters, scientists search to understand and control these properties. Metallic nanoparticles or nanostructures allow to modify these luminescence properties by changing emission and excitation rates or redirect the emitted light.In this study, we focus on this coupling with simple structures made from nanoparticles and quantum emitters in order to discriminate the effect of this coupling at different distances between metal and emitter. We observe three different processes: a strong quenching of the luminescence at the viscinity of the metal, an enhancement at longer distances, and an excitation enhancement. Then we show that it is possible to use this amplified excitation to obtain multiphoton absorption. Finally, we prospect a new way for future works: using aluminium plasmonic properties in UV to search on UV nanosources

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier le couplage plasmon-émetteur dans des structures plasmoniques hybrides, visant à renforcer l’interaction lumière-matière à l'échelle nanométrique. Contrairement aux cavités optiques dont le volume de modes est limité par la diffraction, les cavités plasmoniques offrent un unique avantage d’efficacité du confinement sub-longueur d'onde. Cela peut conduire à l’accroissement de la fluorescence des émetteurs placés dans leur voisinage. Pour cela, nous proposons comme dispositif de focalisation une structure intégrée d’un réseau annulaire avec des nanoantennes afin de garantir une meilleure efficacité. Ce dispositif bénéficie du couplage entre des plasmons polaritons de surface (SPP) qui se propagent à partir du réseau et des plasmons localisés de surface (LSP) localisés aux niveaux des nanoantennes afin de parvenir à une augmentation de champ plus élevée. Nous présentons une étude de caractérisation de la plate-forme plasmonique constitué du réseau de diffraction métallique annulaire, d’une nanoantenne en étoile, et la structure intégrée réseau/nanoantenne. Nous montrons comment cette structure peut conduire à une plus grande émission des molécules de colorants ainsi que de centre SiV du diamant. La combinaison du confinement sub-longueur d'onde des LSP et l'énergie élevé des SPP dans notre structure conduit à une focalisation précise qui peut être mis en œuvre pour étudier le couplage plasmon-émetteur dans les régimes de couplage faibles et forts / There is a growing interest nowadays in the study of strong light-matter interaction at the nanoscale, specifically between plasmons and emitters. Researchers in the fields of plasmonics, nanooptics and nanophotonics are constantly exploring new ways to control and enhance surface plasmon launching, propagation, and localization. Moreover, emitters placed in the vicinity of metallic nanoantennas exhibit a fluorescence rate enhancement due to the increase in the electromagnetic field confinement. However, numerous applications such as optical electronics, nanofabrication and sensing devices require a very high optical resolution which is limited by the diffraction limit. Targeting this problem, we introduce a novel plasmonic structure consisting of nanoantennas integrated in the center of ring diffraction gratings. Propagating surface plasmon polaritons (SPPs) are generated by the ring grating and couple with localized surface plasmons (LSPs) at the nanoantennas exciting emitters placed in the gap. We provide a thorough characterization of the optical properties of the simple ring grating structure, the double bowtie nanoantenna, and the integrated ring grating/nanoantenna structure, and study the coupling with an ensemble of molecules as well as single SiV centers in diamond. The combination of the sub-wavelength confinement of LSPs and the high energy of SPPs in our structure leads to precise nanofocusing at the nanoscale, which can be implemented to study plasmon-emitter coupling in the weak and strong coupling regimes

De nos jours, le domaine de la thermoplasmonique subit un développement très rapide. Ce domaine est basé sur l’amplification de la lumière absorbée par la nanoparticule métallique qui la transforme en une nanosource thermique optiquement activée. Un des défis qu’il faudra relever en thermoplasmonique est la manipulation et la valorisation de l’énergie thermique à petite échelle. De nouvelles techniques optiques permettent d’étudier les phénomènes thermiques liés aux nanoparticules plasmoniques. Ces techniques permettent de caractériser la distribution de température autour de nanoparticules métalliques avec néanmoins une résolution spatiale limitée par la diffraction. Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle approche d’imagerie moléculaire, basée sur la nanopolymérisation amorcée thermiquement, pour caractériser le profil de chaleur au voisinage d’une nanoparticule métallique unique photo-excitée. Cette approche repose sur une formulation thermo-polymérisable caractérisée par une température seuil Ts qui est la température à partir de laquelle aura lieu la réaction de polymérisation. Nous développons ainsi des formulations présentant des Ts différentes. Après l’irradiation de la nanoparticule couverte par la solution thermo-polymérisable, la coquille de polymère créée est l’empreinte des zones où la photoconversion a induit une température supérieure à Ts. Nous démontrons la capacité de cette méthode à cartographier le champ thermique induit autour de la nanoparticule avec une résolution de l’ordre de dizaine de nanomètres (mieux que 35 nm) / Nowadays, the thermoplasmonic field undergoes a very interesting applications development thanks to the amplification of the light absorbed by the metal nanoparticle, which makes it an ideal nanosource of heat controlled by light. Because of this applications development, one of the challenges is to control and manipulate the thermal energy on a small scale.New optical techniques are dedicated to studying the thermal phenomenon induced by plasmonic nanoparticles. These techniques show different capacities to quantify and characterize the heat generated and the temperature distribution around nanoparticles. But the spatial resolution achieved is still limited by diffraction.In this thesis, we present a new molecular imaging approach, which is based on the nanopolymerization reaction thermally induced to characterize the heat profile in the vicinity of a single photoexcited nanoparticle. This approach is based on a thermo-polymerizable formulation with specific temperature threshold Tth (the temperature required to induce polymerization reaction). We develop formulations with different Tth. After irradiation of the nanoparticle covered by the thermo-polymerizable solution, the polymer shell created is the impression of areas where the photoconversion induced a temperature higher than Tth. We demonstrate the ability of this method to map the thermal field induced around the nanoparticle with a resolution better than 35 nm

Les systèmes optiques intégrés ont été largement utilisés dans la détection et la caractérisation de substances biochimiques. Aussi, le développement de nouvelles technologies permettant la fabrication de structures intégrées à l’échelle nanométrique, ouvre un horizon dans la conception d'une nouvelle génération de capteurs biochimiques. Sur la base de plasmons de surface localisés, au cours des dernières années ont été proposés différentes configurations de systèmes optiques pour concentrer le champ électromagnétique dans une petite région de l'espace, ce qui favorise son interaction avec des substances biochimiques. En utilisant la méthode modale de Fourier, dans la présent thèse est présentée une analyse exhaustive de la propagation des modes dans un réseau périodique de nanoparticules métalliques intégrés avec une guide d'ondes diélectrique. Deux géométries des nanoparticules ont été étudiées: des réseaux périodiques de nanofils et de nanocônes métalliques. Il est démontré que pour les nanocônes métalliques le champ optique est fortement exalté au sommet des nanocônes quand ils sont excités à leur résonance LSP via une guide d'onde diélectrique. Pour valider les résultats numériques, on a fabriqué et caractérisé expérimentalement un réseau périodique de nanofils d’or placée sur une guide d’onde à échange d’ions. La caractérisation de l'échantillon a été réalisée dans le champ lointain en mesurant des spectres de transmission et dans le champ proche en utilisant la microscopie en champ proche optique de balayage (NSOM). Les résultats obtenus montrent que les dispositifs intégrés plasmoniques proposées peuvent être appliquées dans la détection de substances biochimiques / Localized surface plasmons (LSP) are used to control and concentrate the electromagnetic field in small volumes of matter. This is a very interesting property in the context of biophotonics. Indeed, it allows an enhancement of the light-matter interaction at the cell scale, or even at a single molecule scale. The technological challenge is to propose optical devices able to efficiently couple light into localized plasmonic modes and to improve the detection of signals resulting from the interaction between the confined light and the analyte under detection.In this thesis work, we theoretically and experimentally study the guiding and confinement properties of light in periodic arrays of metallic nanowires of rectangular and triangular (nanocones) cross section that support localized plasmons. These nanowires are integrated in a photonic circuit that enables an efficient light coupling. The extinction spectra of the plasmonic resonances are directly obtained by analyzing the transmitted light in the device. By making use of the Fourier modal method, we perform an exhaustive theoretical study of the plasmonic Bloch modes that propagate due to the near-field coupling of the localized plasmons resonances. It is demonstrated that for the metallic nanocones, the optical field can be strongly enhanced by a controllable tip effect and remarkably intense

La spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) est largement utilisée comme un outil non-intrusif et sans marquage pour identifier les empreintes spectrales moléculaires dans des applications comme la pharmacologie, la salubrité des aliments, etc. Cette thèse présente un micro-capteur SERS basé sur un guide d'ondes hybride constitué de fentes métalliques (Au/Al) et de rubans diélectriques (Si3N4) et sur une méthode pour promouvoir la capacité de détection SERS en plaçant des nanoparticules métalliques dans la fente du capteur. L'étude théorique du capteur est principalement menée par la méthode des différences finies dans le domaine temps en trois dimensions (3D-FDTD) qui fournit la réponse électromagnétique à large bande des nanostructures métalliques. Les facteurs d'exaltation du capteur sont estimés par l’approximation |E|4. Les expériences sont basées principalement sur la fabrication de fentes métalliques, qui est réalisée par la lithographie à faisceau d'électrons (EBL), et sur la caractérisation de la capacité de détection SERS des capteurs. Les résultats montrent que les signaux Raman donnés par les capteurs SERS sont détectables. Les nanoparticules métalliques, qui sont situées dans le capteur, peuvent améliorer considérablement la capacité de détection SERS. En combinant le capteur SERS avec les éléments photoniques et électroniques, un système de détection SERS entièrement intégré sur une puce peut être développé dans un proche avenir pour des détections SERS portables et stables / Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) is widely used as a non-intrusive and label-free tool to identify the molecular spectral fingerprints in pharmacology, biology, etc. This thesis presents a SERS sensor based on the hybrid waveguide made of metallic (Au/Al) slots and dielectric (Si3N4) strips and a method to improve the SERS-detection capacity by placing metallic nanoparticles into the sensor’s slot. The theoretical investigation of the sensor is mainly conducted by the 3D finite-difference time-domain method (3D-FDTD) which provides the broadband electromagnetic response of metallic nanostructures. The enhancement factors in the sensor’s slot are estimated based on the |E|4-approximation. The experiments are mainly the fabrication of metallic slots, which is conducted by the electron beam lithography (EBL), and the characterization of the SERS-detection capacity of the sensors. The results show that the Raman signals given out by the SERS sensors are detectable. Metallic nanoparticles, which are located in the sensor’s slot, can improve dramatically the SERS-detection capacity. By combining the SERS sensor with the extended photonic and electronic elements, a fully integrated-on-chip SERS detection system on a chip can be developed in the near future for portable and stable SERS detections

Le développement de dispositifs optiques intégrés dans des domaines tels que l'information quantique et la détection de molécules est actuellement dirigé vers l'intégration de nanosources (NS) sur des systèmes sur puce avec faible pertes de propagation. Cette thèse montre une contribution à la conception, à la fabrication et à la caractérisation de structures photonique-plasmoniques en vue de l'intégration d'une seule NS sur des puces optiques à travers le spectre visible. Nous recherchons à optimiser l’efficacité d’excitation et de collection de l'émission de la fluorescence d'une NS en combinant un nano-prisme en or et une structure formée par une couche de dioxyde de titane (TiO2) et un guide d'ondes à échange d'ions (IEW) sur verre. Le couplage entre les modes permet un transfert efficace de l'énergie entre un mode faiblement confiné dans l'IEW vers un mode plasmonique confiné dans un volume effectif de quelques nanomètres cubes. Ce mode confiné interagit avec une NS en améliorant son émission de fluorescence par l'effet de facteur Purcell. En utilisant le théorème de réciprocité de l'électromagnétisme, nous avons étudié le cas réciproque où la lumière émise par la NS peut être collectée dans les modes photoniques du IEW.La caractérisation a été réalisée en champ lointain et en champ proche avec en particulier l'utilisation d'un microscope optique de champ proche à sonde diffusante (SNOM). Nous avons proposé une configuration SNOM qui permet d'imiter l'interaction d'une NS et des systèmes guidés, cartographiant la densité locale des modes guidés (LDOM) / The development of integrated optical devices in areas such as quantum information and molecular sensing is currently directed towards the integration of nanosources (NS) into systems on a chip with low propagation losses. This thesis shows a contribution on the design, fabrication, and characterization of photonic-plasmonic structures towards the integration of a NS on optical chips across the visible spectrum. We pursue the efficient excitation and collection of the fluorescence emission of a NS by making use of the interaction between an electromagnetic field concentrator (gold nanoprism) and an integrated optics structure formed by a high-index layer of titanium dioxide (TiO2) and a low-contrast index ion exchanged waveguide on glass (IEW). The coupling mode allows an efficient transfer of the energy between a weakly confined mode in the IEW and a plasmonic mode confined in an effective volume of few cubic nanometers. This confined mode interacts with a NS enhancing its florescence emission through Purcell factor effect. Using the reciprocity theorem of electromagnetism, we studied the reciprocal case where the light emitted by the NS can be collected into the photonic modes of the IEW.The characterization was performed in the far and in the near field with the use of a scanning near-field optical microscopy (SNOM). We proposed a SNOM configuration that allows us to imitate the interaction of a NS and guided systems, mapping the local density of guided modes (LDOM)