En 1859 les physicien et chimiste allemands G. Kirchhoff et R. Bunsen ont découvert que chaque élément chimique dispose d'une signature spectrale unique. Suite à cela, la spectrométrie s'est imposée comme un outil d'analyse majeur y compris en astrophysique (notamment grâce à l'italien A. Secchi). Ainsi la plus grande partie des informations dont nous disposons sur les objets astrophysiques proviennent de l'analyse spectrale ; la découverte des premières planètes extra-solaires est même due à celle-ci. Depuis ses débuts, cette technique a trouvé de nombreuses applications dans des domaines aussi variés que la médecine, la détection de gaz ou encore l'étude des polluants. Dans cette thèse nous nous proposons d'étudier et de développer un nouveau type de spectromètres nommés SWIFTS (pour Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) basés sur la détection d'une onde stationnaire obtenue à l'intérieur d'un guide optique. Pour ce faire, nous utilisons une technique originale dite de " détection évanescente ". Dans cette thèse nous étudions et modélisons les performances d'un tel spectromètre notamment en utilisant une méthode matricielle et une méthode de décomposition dans le domaine de Fourier. Les premiers prototypes ont été réalisés dans les bandes I et R du système photométrique de Johnson, ces bandes ayant été choisies pour la facilité d'obtention de détecteurs et guides optiques efficaces. Étant donné les technologies disponibles, ces prototypes ne peuvent atteindre l'efficacité théorique maximale d'un SWIFTS (environ 73%) ; néanmoins elles nous ont permis de mesurer des résolutions de l'ordre du cm-1 sur un large domaine spectral (650 nm à 900 nm).

SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) est une nouvelle technologie innovante de spectrométrie qui permet une réduction radicale de la taille des spectromètres à Transformée de Fourier, tout en conservant, et même en améliorant leurs performances. Grâce aux avancées de l'optique intégrée et des nanotechnologies, SWIFTS repose sur une méthode de détection optique originale, sans aucune partie mobile, où des nanoplots métalliques échantillonnent directement le champ évanescent d'une onde stationnaire dans un guide d'onde.Dans cette thèse, nous proposons de présenter le cheminement complet qui a mené, en partant du concept original, au développement puis à la mise en pratique de la technologie SWIFTS. Le document illustre notamment les caractérisations optiques, les choix technologiques et les optimisations entrepris pour la réalisation de spectromètres fonctionnels dans le domaine visible et proche-infrarouge. Des procédures de calibrages novatrices et complémentaires, basées sur du multiplexage fréquentiel et sur de l'interférométrie à faible cohérence temporelle, ont été développées pour déterminer avec précision les différentes irrégularités de fabrication et de comportement de l'appareil complètement intégré. Les spectromètres calibrés permettent à présent d'aborder des applications diverses en industrie et en recherche, de la caractérisation hautes performances de lasers, à l'interrogation de capteurs fibrés à réseaux de Bragg, aux techniques de spectrométries Raman et LIBS, et de tomographie optique OCT, jusqu'aux sciences de l'Univers (géophysique, astrophysique).SWIFTS est une innovation de rupture qui, de part sa miniaturisation obtenue sans compromis avec de hautes performances d'analyse spectrale, a la capacité de faire passer la spectrométrie du stade de la mesure complexe en laboratoire à celle d'un simple composant intégré pour des applications exigeantes. / SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) is a new innovative technology of spectrometry that allows a drastic reduction of the size of Fourier transform spectrometers, while maintaining, and even improving their performance. With advances in integrated optics and nanotechnology, SWIFTS is based on an original method of optical detection, without any moving part, where metallic nanodots directly sample the evanescent field of a standing wave in a waveguide.In this thesis, we propose to present the complete process that led, starting from the original concept, to the development and the applications of the technology. The document illustrates the optical characterizations, the technological choices and the optimizations made for the realization of functional spectrometers in the visible and near-infrared range. Innovative and complementary procedures of calibrations, based on frequency multiplexing and low coherence interferometry, have been developed to accurately determine the various irregularities of the manufacturing and of the behavior of the integrated device. The calibrated spectrometers allow to address various applications in industry and research, such as high performance characterization of lasers, interrogation of fiber Bragg gratings sensors, Raman and LIBS spectrometry, optical coherence tomography OCT, and sciences of the Universe (geophysics, astrophysics).SWIFTS is a breakthrough innovation in spectrometry, without trade-off between miniaturization and high performance, that opens the way for product development based on the most demanding applications currently performed in research laboratories.

Ce travail porte sur la réalisation d'un microspectromètre SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) incluant des compteurs de photons SNSPD (Superconducting Nanowire Single Photon Detector). Il met en œuvre un interféromètre intégré à guide d'onde en arête bouclé, en SiN, sous lequel sont disposés 24 nanofils supraconducteurs SNSPD en NbN échantillonnant les interférences au pas de 160nm, à une longueur d'onde centrée sur 1.55µm. La conception, l'étude des composantes optique et électronique, la fabrication et la caractérisation à 4.2K sont décrites, jusqu'à la mise en évidence d'une modulation de puissance lumineuse dans le guide conformément à la formation attendue d'interférences. Le SWIFTS-SNSPD constitue le premier dispositif optoélectronique supraconducteur à part entière, doublement intégré. Sa capacité unique d'échantillonnage direct de franges d'interférences ouvre de nombreuses perspectives, pour des applications allant de l'astrophysique aux télécoms. / This work presents the realization of a SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) micro-spectrometer with SNSPD (Superconducting Nanowire Single Photon Detector) photon counters. The device features an integrated interferometer made of a SiN loop ridge-waveguide, with an array of 24 NbN-nanowire SNSPD underneath that samples at a 160nm period the interferogram of a laser light, at a wavelength centred on 1.55µm. The conception, preliminary studies of integrated optics and electronics, fabrication and characterization at 4.2K of the final device are described, in particular the observation of the detected signal modulation in the waveguide in agreement with the expected interference formation. The SWIFTS-SNSPD constitutes the first stand-alone, fully integrated superconducting optoelectronic device. Its unique capability of direct sampling of light interferogram opens numerous perspectives, with possible applications ranging from astrophysics to telecommunications.

Ce travail porte sur la réalisation d'un microspectromètre SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) incluant des compteurs de photons SNSPD (Superconducting Nanowire Single Photon Detector). Il met en œuvre un interféromètre intégré à guide d'onde en arête bouclé, en SiN, sous lequel sont disposés 24 nanofils supraconducteurs SNSPD en NbN échantillonnant les interférences au pas de 160nm, à une longueur d'onde centrée sur 1.55µm. La conception, l'étude des composantes optique et électronique, la fabrication et la caractérisation à 4.2K sont décrites, jusqu'à la mise en évidence d'une modulation de puissance lumineuse dans le guide conformément à la formation attendue d'interférences. Le SWIFTS-SNSPD constitue le premier dispositif optoélectronique supraconducteur à part entière, doublement intégré. Sa capacité unique d'échantillonnage direct de franges d'interférences ouvre de nombreuses perspectives, pour des applications allant de l'astrophysique aux télécoms.

Durant ma première année en tant que maître de conférences, j'ai travaillé dans le domaine des microondes où j'ai appris à utiliser la TLM [35]. Cet outil permet la modélisation de la propagation de signaux électromagnétiques en 3D. Ayant fait auparavant une thèse dans le domaine de l'optique intégrée, j'ai naturellement changé d'équipe en travaillant sur la thématique de la photonique en 2000 en collaborant étroitement avec Pierre Benech. Alors que les outils commerciaux de FDTD n'étaient pas encore très développés, j'ai commencé mes recherches en appliquant la TLM sur des structures semi-conductrices tel que des réseaux de Bragg dans des guides réfractifs [36]. Il a été notamment mis en avant les problèmes de profondeur de gravure et d'adaptation de modes entre celui du réseau et celui du guide d'onde. Je me suis ensuite investi sur la modélisation de guides à cristaux photoniques. J'ai participé à des collaborations pour étudier notamment les pertes radiatives d'un guide à cristal photonique 2D sur membrane en mettant en avant que sous certaines conditions ces pertes pouvaient être faibles [38]. Suite à ce travail, j'ai participé à deux projets RMNT et ACI pour la modélisation de microdisques ainsi qu'à leur couplage avec un guide adjacent soit pour une application laser ou une application de dé/multiplexeur. Je me suis donc intéressé à ces structures cylindriques du type microdisque, microanneau ou microtore. Il a été notamment proposé une nouvelle structure de microdisque dentelé dit "microgear" simulée avec une méthode basée sur une décomposition de Fourier plus rapide et rigoureuse. Ces structures présentent de bons facteurs de qualité avec pour certaines des volumes de modes optiques faibles, compatibles avec une intégration planaire. Généralement ces structures suivent une certaine forme de symétrie. Les microdisques et les microanneaux peuvent ainsi être représentés avec des coordonnées cylindriques. Dans ce type de repère, il est alors possible dans un premier temps d'utiliser des fonctions de Bessel pour représenter les modes résonants qui parcourent ces structures. De nombreux calculs en 2D sont alors possibles pour décrire la propagation de ces modes ou leur interaction avec un guide par exemple. Les modes de galerie des sphères peuvent être décrits par des fonctions de Bessel sphériques. Dans ce cas, la description se fait complètement en 3D sans recours à des outils numériques spécifiques. Néanmoins, pour modéliser ces objets en 3D avec la possibilité de les compléxifier ou de briser leur symétrie, il est important d'utiliser un outil 3D numérique adapté. Je me suis intéressé alors à des méthodes modales. Celles-ci permettent en effet d'avoir plus d'informations sur les phénomènes physiques mis en jeu. J'ai notamment porté mon choix sur des méthodes donnant accès à une décomposition en modes propres par l'intermédiaire d'une décomposition en série de Fourier la RCWA pour Rigorous Couple Wave Analysis. Initialement, elle fut plutôt utilisé pour étudier des structures périodiques notamment des réseaux de Bragg [49, 48, 47]. Mais maintenant, cette méthode peut être aussi appliquée sur des structures apériodiques comme des guides intégrés [46]. Au vu des potentialités de la méthode, j'ai décidé de m'approprier cet outil dans le même type de système de coordonnées en 2D. Je me suis tout particulièrement intéressé à l'interaction d'un mode guidé faiblement confiné avec un nanobjet métallique. Cet exemple montre tout l'intérêt de cette méthode capable de simuler des objets avec un indice de réfraction complexe et une taille largement inférieure à la taille du mode d'excitation. J'ai ensuite proposé un nouveau type de développement de cette méthode pour décrire des modes respectant une symétrie cylindrique. Une première solution consiste à utiliser une transformation conforme de la structure pour retrouver les propriétés de l'AFMM en coordonnées cartésiennes. Puis une nouvelle solution en cours de développement est actuellement étudiée pour modéliser directement la structure dans un repère cylindrique. Cette nouvelle description a débouché sur une description 3D de la méthode permettant de modéliser des guides courbes. Une autre méthode légèrement différente a été aussi proposée calculant uniquement des modes résonants dans des structures 3D à symétrie cylindrique. En fixant l'évolution azimutale du mode, on peut aussi utiliser une variante de la méthode précédente 2D en périodisant la structure selon un axe perpendiculaire aux axes radial et azimutal. Ce travail est issu d'une collaboration entre l'INP et l'université de Ferrara. Il a été montré qu'avec cette méthode, il était possible de simuler des microdisques ou des microanneaux. Il a été aussi montré qu'avec l'ajout d'une fente d'un indice de réfraction plus faible, il était possible d'avoir des volumes de modes plus faibles en utilisant la propriété de confinement des guides à fentes. Ces différents développements ont aussi été appliqués sur des systèmes photoniques réalisés en optique intégrée sur verre. Je me suis notamment investi dans le développement de spectromètres optiques de Fourier intégrés. J'ai participé pour cela à des projets CNES et FUI pour modéliser le spectromètre SWIFTS (Stationnary Waves Interferometer Fourier Transform Spectrometer). Ce nouveau système dont la puce en verre est d'une taille d'une allumette couplée à une barrette de photodétecteurs linéaires permet d'atteindre des résolutions spectrales de 10pm sur une bande spectrale allant de 700nm à 1000nm. Une brique de base de son fonctionnement est notamment l'interaction du mode guidé avec des nanoplots métalliques. Un autre type de spectromètre moins complexe a été aussi mis en œuvre pour étudier des spectres dans le proche infra-rouge avec des résolutions spectrales de l'ordre du nanomètre. Ce système nommé LLIFTS (Leaky Loop Interferometer Fourier Transform Spectrometer) est constitué notamment de guides courbes couplés à un guide plan. La méthode AFMM cylindrique nous permet donc de simuler directement ce type de structure. Je dirige notamment un projet ANR pour utiliser ce type de composant dans un système OCT.