Bien que les interconnexions optiques sur de longues distances soient supplantées depuislongtemps par leurs homologues électriques, la fabrication tout optique d'interconnexions surcourtes distances n'a pas encore été achevée en raison de la difficulté à les intégrer de manièresimple et rentable sur des cartes de circuits imprimés.<br />Les structures de couplage sont les éléments clés de ces dispositifs d'interconnexion sur courtesdistances car d'une part elles peuvent limiter significativement l'efficacité globale des composants etd'autre part, représentent la majeure partie de leur prix. Nous avons choisi de travailler avec descouplages à réseaux qui ont l'avantage d'être compatible avec les technologies planaires existantesainsi qu'avec une production en série. Dans ce manuscrit, nous proposons de fabriquer et decaractériser un démonstrateur tout optique comprenant deux réseaux résonnants agissant commeles portes d'entrée et de sortie de la lumière propagée dans un guide d'ondes multimode. Sondesign est original et permet théoriquement d'atteindre une efficacité de 90 %.<br />Dans le cadre d'un réseau d'excellence européen en micro-optique (NEMO), nous avons comparél'efficacité de deux démonstrateurs fabriqués sur le même principe. Le premier utilise des matériauxcommerciaux pour la fabrication des réseaux de diffraction et du guide d'ondes multimode tandisque le second utilise des matériaux innovants (tels que les matériaux hybrides organo-minéraux)ainsi que des procédés développés au laboratoire Hubert Curien.

Le travail de recherche effectué dans cette thèse couvre deux domaines de l'optique physique et technique, tous deux traités au Laboratoire Hubert Curien par deux équipes différentes. Le but est de développer un réseau résonnant d'ordre zéro en vue d'une application à la mise en forme temporelle d'impulsions laser ultra-brèves.<br />Pour moduler temporellement une impulsion ultra-brève, une modulation spectrale est utilisable. Or il est connu que la réflexion résonnante d'un guide planaire couplé par réseau montre un changement soudain dans le spectre au voisinage de la résonance, notamment dans la phase. Il convient donc de qualifier et de quantifier les changements d'amplitude et de phase spectrales que peut produire un réseau résonnant. Pour ce faire, le réseau résonnant est étudié suivant l'approche phénoménologique par modes couplés. Un miroir est ensuite ajouté à ce simple guide planaire couplé par réseau dans le but d'obtenir une modulation de phase pure pour une conservation de l'énergie réfléchie sur tout le spectre de l'impulsion. La phase ainsi induite est donnée par la nature de l'effet résonnant et sa forme est figée par le caractère statique des paramètres opto-géométriques de la structure. Cependant, une configuration en cascade par réinjection du faisceau permet de multiplier le déphasage et, par conséquent, de varier dans une certaine mesure les profils temporels accessibles, en particulier de dédoubler une impulsion avec un écart temporel variable et qui peut être grand. Un miroir résonnant a été conçu puis fabriqué et a permis de démontrer expérimentalement avec succès l'effet de dédoublement temporel d'un tel élément optique sur une impulsion femtoseconde.

Les récents concepts de la nanophotonique et les progrès considérables des procédés de réalisation de la microélectronique devraient conduire à l'émergence de nouvelles générations de composants optiques. L'objectif de cette thèse est ainsi de proposer des filtres optiques innovants, répondant aux besoins des communications spatiales à 0.85 µm, et susceptibles de lever les limitations des filtres usuels, en particulier en termes de largeur spectrale, sensibilité à la polarisation, fonctionnement en incidence oblique et ajustement spectral. Le travail de thèse porte sur la conception, fabrication et caractérisation de filtres à réseaux résonants associant un empilement multicouche et une nanostructuration de surface bidimensionnelle. A partir de la modélisation électromagnétique de la structure, une méthodologie de conception est développée et permet d'établir les paramètres caractéristiques de la maille photonique. Un procédé de fabrication comportant les étapes de dépôt de couches minces, lithographie électronique et gravure sèche est mis au point. Les composants fabriqués présentent des caractéristiques qui sont à l'état de l'art en incidence normale (largueur spectrale de 0.4 nm, réflexion à la résonance de 55%...) et en incidence oblique à ~60° (largeur spectrale < 0.8 nm, indépendance à la polarisation, accordabilité). L'aspect générique du procédé de réalisation et des performances obtenues permettent de considérer que ces filtres seront d'excellents candidats pour remplacer les filtres multi-couches conventionnels. De plus, la compatibilité de leur procédé de fabrication avec ceux de la microélectronique ouvre la voie à des fonctions optiques intégrées avancées.

L'étude porte sur la stabilisation spectrale de diodes laser par des cavités externes incorporant un filtre à réseau résonant. La première partie des travaux concerne la modélisation de la cavité externe et les critères requis sur les caractéristiques d'un filtre pour obtenir une émission monomode. La conception et la réalisation de différents réseaux, utilisés en montage de type Littrow, permettent d'obtenir une stabilisation de diodes conventionnelles avec un SMSR supérieur à 30dB, tout en étant très sensible aux désalignements, en raison de la faible tolérance angulaire de ces filtres. La seconde partie concerne de nouveaux types de filtres, dont le réseau résonant est encadré par 2 réseaux latéraux de demi-période. Ces filtres présentent une grande tolérance angulaire proche de 10°, associée à une largeur spectrale nanométrique, qui autorise un montage en oeil de chat, compact et facile à mettre en oeuvre, tout en obtenant une stabilisation spectrale avec un SMSR supérieur à 30dB.

Les filtres spectraux à réseaux résonants, ou GMRF (Guided-Mode Resonance Filters), sont une nouvelle génération de filtres à bande étroite et constituent une alternative très prometteuse aux filtres conventionnels multicouches Fabry-Pérot. Le pic de résonance d'un GMRF peut être très fin spectralement et de longueur d'onde de centrage accordable en fonction de l'angle d'incidence. Ces propriétés sont particulièrement importantes pour la spectroscopie. Les travaux antérieurs ont permis de mettre en œuvre une structure originale comportant deux réseaux 1D croisés. Les performances de ce filtre surpassent celles des filtres conventionnels par leur réponse spectrale subnanométrique, leur accordabilité, et leur capacité à s'affranchir de l'influence de la polarisation de l'onde incidente sous incidence oblique. Le but de ce travail est d'explorer les performances ultimes de ce type de dispositif en termes de résolution et taux de réjection, par une approche mêlant théorie, technologie et caractérisation. Nous présentons des résultats expérimentaux d'un filtre en réflexion indépendant de la polarisation, accordable sur 40 nm avec 8.3nm/° d'accordabilité, ayant une réflexion de 10-3 sur une plage de 90nm en dehors de la résonance et un facteur de qualité supérieur à 5000. / Guided Mode Resonance Filters ( GMRF ) are a new generation of narrowband optical filters and are a very promising alternative to conventional multilayer Fabry-Perot filters. The resonance peak of GMRF can be spectrally extremely thin and with a centering wavelength tunable according to the angle of incidence of the light. These properties are particularly important for spectroscopy. Previous works have helped to implement an original structure with two 1D crossed gratings. The performance of this filter overpasses those of conventional filters in their spectral subnanometric response, tunability and their ability to overcome the influence of the polarization of the incident wave under oblique incidence. The aim of this work is to explore the final performances of such devices in terms of resolution and rejection rate, thanks to an approach combining theory, fabrication technology and characterization. We present experimental results of a polarization independent reflective filter, tunable over 40nm with a tunability of 8.3nm / °, having a reflection of 10-3 on a 90nm range outside the resonance and a quality factor over 5000.

Ce travail de thèse concerne l'amélioration du pouvoir de résolution de la microscopie optique en champ lointain. Nous avons étudié et développé des techniques permettant de dépasser la limite fondamentale de résolution établie par Abbe en 1873. Toutes tirent profit de la relation liant le champ électromagnétique émis ou diffracté par un objet à l'éclairement employé pour l'observer. En enregistrant plusieurs images du même objet sous différents éclairements, puis en utilisant un algorithme d'inversion approprié, il est possible d'avoir accès à certaines fréquences spatiales de l'objet qui sont habituellement filtrées par le microscope. Ce concept est d'abord appliqué à une technique de microscopie cohérente ne nécessitant pas le marquage de l'échantillon : la microscopie tomographique de diffraction. Cette méthode permet de reconstruire numériquement des cartes quantitatives de la permittivité diélectrique de l'objet avec une résolution significativement meilleure que celle d'un microscope large-champ classique à partir de plusieurs hologrammes de l'échantillon obtenus sous diverses incidences. Nous montrons théoriquement et expérimentalement que, loin d'être un désavantage, le phénomène de diffusion multiple permet, s'il est correctement pris en compte, d'atteindre des résolutions encore plus spectaculaires. Nous étudions ensuite, avec des outils conceptuellement proches, la microscopie de fluorescence par éclairement structuré. Nous avons proposé deux approches différentes pour améliorer cette technique de microscopie. La première tire profit du développement d'un algorithme d'inversion capable de retrouver la densité de fluorescence de l'objet sans connaitre les éclairements utilisés a priori. Grâce à cet algorithme, nous pouvons remplacer le motif d'illumination habituellement périodique et contrôlé de la microscopie à éclairement structuré classique par des speckles aléatoires obtenus en bougeant un diffuseur à travers un faisceau laser. Des résultats expérimentaux très encourageants montrent l'efficacité de cette approche dont la mise en œuvre expérimentale est remarquablement simple. La seconde consiste à remplacer la lamelle de verre sur laquelle est déposé l'échantillon par une lamelle périodiquement nanostructurée. Celle-ci crée à sa surface une grille de lumière de période bien inférieure à la limite imposée par la diffraction, et qui peut être utilisée pour sonder les fréquences spatiales les plus élevées de l'échantillon. Nous détaillons la conception, la fabrication et la caractérisation expérimentale de ce substrat nanostructuré.