Propagation properties of linearly tapered parabolic-index optical waveguides are investigated. Tapers with planar (two-dimensional) and fiber (three-dimensional) geometries are considered. A ray optics approach is used in the analysis, assuming that the characteristic dimensions of tapered waveguides are small compared to the wavelength of light. Closed form analytical solutions are obtained for ray trajectories in tapers with small slope and small index difference between the core and cladding. To assess the accuracy of analytical solutions, exact ray trajectories in planar waveguides are determined using numerical techniques and compared to those obtained from the analytical method. The agreement between the analytical and numerical solutions is excellent. It is observed that ray trajectories exhibit the behavior of modulated sinusoidal functions with decreasing amplitude and period as light travels toward the smaller end of the taper. This illustrates the power concentrating capability of the taper. Applications of these graded-index tapers when used to couple power from light sources to planar and fiber waveguides and when they are used to connect two waveguides of different core sizes are addressed. Coupling efficiencies for light source coupling and radiation loss of tapers when used to connect two dissimilar waveguides are calculated. Numerical results for example cases are provided. A novel application of the taper as collimated beam concentrator is also proposed. / Master of Science

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Ce travail de thèse concerne la focalisation des ondes élastiques se propageant dans une plaque mince ou à la surface d’un milieu semi-infini, au travers de lentilles acoustiques planes. Les dispositifs que nous avons étudiés sont basés sur des cristaux phononiques 2D, constitués d'inclusions d'air dans une matrice solide. Ces hétérostructures présentent un gradient de leurs propriétés élastiques le long d'une direction de la lentille. Le gradient d'indice est obtenu en modulant soit la taille des inclusions d'air, soit la distance entre deux inclusions consécutives. L’approche que nous avons adoptée est basée principalement sur la simulation numérique par éléments finis. Cependant une partie significative du travail concerne le calcul analytique de la trajectoire des rayons acoustiques ainsi que la vérification expérimentale des résultats théoriques.L’approche analytique a consisté à calculer la trajectoire des rayons acoustique dans la lentille, en tenant compte de l'anisotropie le long de chaque ligne d'inclusions. L'analyse analytique, appliquée à une onde de Lamb antisymétrique (A0), ainsi que les résultats numériques et les données expérimentales, expliquent parfaitement les caractéristiques du champ de déplacement dans la zone focale, y compris la position, la forme et les dimensions latérales de la tâche focale. Le formalisme s’applique quelle que soit la symétrie du cristal phononique et peut être étendu à des ondes élastiques présentant une autre polarisation. Nous montrons dans ce travail qu’une largeur à mi-hauteur aussi petite que 0.64 peut être obtenue lorsque la focalisation intervient au sein de la lentille.Le formalisme s’applique également à la focalisation derrière la lentille. Dans ce cas, la résolution au point focal est déterminée par le "nombre d'onde transversal maximal" à la sortie de la lentille, en bon accord avec les résultats numériques et expérimentaux. Ensuite, nous avons conçu une lentille à gradient d’indice avec des piliers résonnants érigés entre les inclusions d'air. L'analyse numérique prévoit une résolution légèrement au-delà de la limite de diffraction. Expérimentalement, nous mesurons une largeur à mi-hauteur de la tâche focale juste au-dessus de la limite de diffraction.Enfin, nous avons étudié la focalisation d’une onde de Rayleigh par une lentille à gradient d’indice. Nous avons trouvé un bon accord entre le calcul des trajectoires des rayons, les simulations numériques et les expériences. En outre, nous avons analysé la transmission de l’énergie élastique lorsque la focalisation intervient derrière la lentille. / This manuscript is about the focusing of elastic beams propagating in a plate or on the free surface of a semi-infinite medium, using flat acoustical lenses. The devices we have studied are based onto 2D phononic crystals that are made of air inclusions in a solid matrix and featuring a gradient of their elastic properties along one direction of the lens. The gradient index (GRIN) is obtained by modulating either the size of the air inclusions or the distance between two consecutive inclusions.We primarily adopted a computational approach but a significant part of the work concerns the analytical calculation of the ray trajectories as well as the experimental check of the theoretical findings. The analytical approach consists to calculate the ray trajectories of an elastic waves within the lens while accounting for the anisotropy along each lines of inclusions. The analysis applied to the lowest-order flexural Lamb wave (A0), together with both the numerical results and the experimental data, well explains the features of the displacements field in the focus area, including the location, shape and lateral width. The formalism applies whatever the symmetry of the phononic crystal is and can be extended to other polarization of the elastic wave. We show in this work that FWHM as small as 0.64 may be obtained when focusing inside the lens.The formalism applies also to the focusing behind the lens. In that case, the resolution at the focus is determined by the “maximum transverse wavenumber” at the exit of lens, in good agreement with the numerical and experimental results. Then we designed a GRIN phononic lens featuring resonant pillars in addition to the constitutive air inclusions. The numerical analysis foresees the resolution at the focus beyond the diffraction limit, while experimentally we measured the resolution to be just above the diffraction limit. Lastly, we turned to the subwavelength focusing of Rayleigh waves through GRIN lenses. We found a good agreement between the ray trajectories calculation, the numerical simulations and the experiments. We further analysed the influence of energy transmission when the focus is located behind the lens.