L'essor des télécommunications sur fibres a conduit depuis quarante ans au développement des composants optiques intégrés. Cependant, en raison de difficultés technologiques, un dispositif n'a pas encore été réalisé de façon satisfaisante : il s'agit de l'isolateur optique, dont la fonction est de propager la lumière dans un seul sens. Ces travaux s'inscrivent dans cette problématique puisqu'ils visent à l'intégration d'un isolateur grâce à la technologie de l'échange d'ions Na+/Ag+ sur verre. La configuration adoptée se compose de trois éléments sur puce : un séparateur de polarisation et deux rotateurs de polarisation à 45 °, l'un réciproque et l'autre non. Le séparateur de polarisation a été réalisé sous la forme d'une jonction Y asymétrique. Après une étude théorique, nous présentons le procédé de fabrication ainsi que les résultats expérimentaux obtenus. Les diaphonies mesurées sont à l'état de l'art, elles dépassent (31,1 ± 0,4) dB et (32,7 ± 0,4) dB en mode TE et TM sur une plage spectrale supérieure à 70 nm. Nous avons mené l'étude du rotateur Faraday en collaboration avec le Laboratoire Télécom Claude Chappe de Saint Etienne pour la partie magnéto-optique. La structure employée est un guide d'onde à enterrage différentiel sur lequel est déposé un matériau magnéto-optique par un procédé sol-gel. Un angle de rotation non-réciproque de 50 ° a été mesuré, validant ainsi l'approche hybride. Un nouveau procédé de fabrication est également présenté pour un rotateur réciproque à évolution de mode adiabatique. Celui-ci consiste en un enterrage sous champ présentant une inhomogénéité transverse. Nous proposons finalement une méthode de fabrication de l'isolateur complet basée sur l'intégration monolithique des différents éléments. / For the past forty years, the growth of fiber telecommunications has led to the development of integrated optical components. However, due to technological issues, a device has not yet been realized: the optical isolator, which propagates light in a single direction. Our work fits into this context. It deals with the integration of an isolator using the Na+/Ag+ ion-exchange technology. The configuration we adopted consists of three elements on chip: a polarization splitter and two 45 ° polarization rotators, one is reciprocal and the other is not. The polarization splitter has been realized in the shape of an asymmetrical Y junction. After a theoretical study, we present the fabrication process and experimental results. State-of-the-art diaphonies of (31.1 ± 0.4) dB and (32.7 ± 0.4) dB have been measured in TE and TM mode over a bandwidth larger than 70 nm. The magneto-optical part of the study has been undertaken in collaboration with the Laboratoire Télécom Claude Chappe (LT2C) from Saint Etienne, France. The Faraday rotator is a selectively buried waveguide on which a magneto-optical material has been deposited using a sol-gel process. A non-reciprocal rotation of 50 ° has been measured, hence validating the hybrid approach. A novel fabrication process is presented for a reciprocal mode-evolution polarization rotator. The process consists in the burring of a waveguide under an electric field presenting a transverse inhomogeneity. We finally propose a fabrication method of the complete optical isolator. It is based on the monolithic integration of the three elements.

Cette thèse apporte une contribution théorique et expérimentale à l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation de structures à cristaux photoniques à gradient (GPhCs). Nous explorons pour commencer la relation qui existe entre les déformations des surfaces équi-fréquences (EFS) de différents cristaux photoniques et les paramètres de maille des configurations envisagées. Compte tenu de la complexité des structures possibles obtenues à partir d'un chirp spatial bidimensionnel d'au moins un paramètre de maille, nous avons limité notre étude à un type particulier de structure basé sur un réseau carré de silicium sur isolant (SOI) planaire constitué de trous d'air de facteur de remplissage variable. Une expression analytique des EFS connexes en fonction du rayon des motifs a d’abord été extraite, et une structure GPhC de "référence" a ensuite été proposé pour l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation des GPhCs utilisant à la fois une approche consistant à propager un ou plusieurs rayons optiques dont les trajectoires sont données par les équations de l’optique Hamiltonienne et une approche tout numérique basée sur des simulations FDTD. Nous décrivons ensuite les processus de fabrication de salle blanche des structures à cristaux photoniques graduels, obtenues à partir de substrats semiconducteurs par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive. Les échantillons fabriqués sont étudiés expérimentalement par des techniques de mesure en champ lointain et en champ proche (SNOM) en s'appuyant sur une collaboration avec un autre groupe du CNRS. Les résultats expérimentaux montrent une relation dispersive quasi-linéaire de 0.25μm/nm dans la gamme de longueur d’onde allant de 1470nm à 1600nm. Les premiers dispositifs fabriqués présentent aussi la possibilité de séparer des couples de deux longueurs d'onde (démultiplexage) avec des pertes d'insertion faibles (inférieures à 2 dB) et un niveau de diaphonie faible (de l'ordre de -20 dB). Ils présentent également un effet très net de séparation des polarisations de la lumière avec une diaphonie inter-polarisations TE/TM de -27dB dans une bande spectrale de l’ordre de 70 nm. Au-delà de ces mesures optiques obtenus dans une configuration particulière de cristal photonique graduel, les travaux présentés dans cette thèse ont permis l'observation directe de la transition entre les régimes d’homogénéisation et de diffraction de propagation de la lumière dans un matériau optique artificiel tout diélectrique. Globalement, la méthodologie présentée et adoptée pour l'étude de la propagation de la lumière dans les structures étudiées a ouvert des perspectives pour la réalisation de fonctions optiques plus complexes. / This PhD thesis brings a theoretical and experimental contribution to the exploration of dispersive and polarization properties of graded photonic crystal (GPhC) structures. We first present a quantitative relationship between the deformations of the equi-frequency surfaces (EFSs) of different photonic crystals and the lattice parameters of the considered configurations. Considering the complexity of the possible GPhC structures made of a two-dimensional spatial chirp of at least one lattice parameter, we limit in this thesis our study to one particular type of GPhC structure based on a square lattice silicon on insulator (SOI) planar photonic crystal with a variable air hole filling factor profile. An analytical expression of the related EFSs as a function of the varied lattice parameter is extracted, and a GPhC “reference” structure is then proposed for the exploration of the dispersive and polarization properties of GPhCs using both Hamiltonian optic-assisted ray tracing as well as FDTD simulations. The clean room fabrication process of this GPhC structure family, which is based on electron beam lithography and reactive ion etching technologies, is reported. Fabricated samples are experimentally studied by far-field and near-field (SNOM) measurement techniques relying on a collaboration with a CNRS group of the Bourgogne university. Experimental results show an almost linear dispersive relationship of 0.25µm/nm in the 1470nm-1600nm spectral range. The fabricated samples also present the possibility for two-wavelength demultiplexing with low insertion loss (below 2dB) and low crosstalk level (around -20dB), and a polarization beam splitting effect with a crosstalk of -27dB in a 70nm bandwidth. Beyond these optical metrics obtained in one particular GPhC configuration, the works presented in this thesis have allowed the direct observation of the transition between the homogeneous and diffraction regimes of light propagation in an artificial optical all-dielectric material, and the presented and adopted methodology for the study of light propagation in GPhC structures has raised open perspectives for the realization of more complex optical functions in forthcoming works using low loss and flexible metamaterial-like photonic crystals.