This thesis presents rubidium packaging methods for integration using anti-resonant reflecting optical waveguides (ARROWs) on a planar chip. The atomic vapor ARROW confines light through rubidium vapor, increases the light-vapor interaction length, decreases the size of the atomic cell to chip scales, and opens up possibilities for waveguide systems on chips for additional optoelectronic devices. Rubidium vapor packaging for long-life times are essential for realizing feasibly useful devices. Considerations of outgassing, leaking and chemical compatibilities of materials in rubidium vapor cells lead to an all-metal design. The effect of these characteristics on the rubidium D2 line spectra is considered.

L'augmentation de l'interaction lumière-matière aux échelles micro et nanométriques est un des fers de lance de la nanophotonique. En effet, le contrôle de la répartition spatiale de la lumière grâce à l'interaction résonante entre nanostructures et ondes électromagnétiques a conduit aux développements de nombreuses applications dans des domaines variés tels que les télécommunications,la spectroscopie et la détection d'objets. Le ralentissement de la lumière, sujet de la thèse, obtenue grâces à l'interférence d'ondes contre-propageantes dans des milieux périodiques ou le confinement sub-longueur d'onde dans des guides d'ondes plasmoniques, est associé à une compression des pulses lumineux et une forte augmentation du champ électrique, deux phénomènes clés pour la miniaturisation de composées optiques et l'augmentation de l'interaction lumière matière. / Enhancing light-matter interactions at micro and nanoscales is one of the spearheads of nanophotonics. Indeed, the control of the field distribution due to the resonant interaction of nanostructures with electromagnetic waves has prompted the development of numerous optical components for many applications in telecommunication, spectroscopy or sensing. A promising approach lies in the control of light speed in nanostructures. Light slowdown, obtained by wave interferences in periodic structures or subwavelength confinement in plasmonic waveguides, is associated to pulse compressions and large field enhancements,which are envisioned as key processes for the miniaturization of optical devices and the enhancement of light-matter interactions.The thesis studies both fundamental aspects and possible applications related to slow light in photonic and plasmonic nanostructures. In particular, we study the impact of periodic system sizes on the group velocity reduction and propose a novelfamily of resonators that implement slow light on very small spatial scales. We then investigate the role of fabrication disorder in slow periodic waveguides on light localization and demonstrate how modal properties influence the confinement of localized modes. Also we propose a new hollow-core photonic crystal waveguide that provides efficient and remote couplings between the waveguide and atoms thatare trapped away from it. Finally we demonstrate the important role played by slow plasmons on the emission of quantum emitters placed in nanogap plasmonic antennas and explain how large radiation efficiency can be achieved by overcoming quenching in the metal. Additionally, one part of the thesis is devoted to thederivation of a novel modal method to accurately describe the dynamics of plasmonic resonators under short pulse illumination.

Les interférences quantiques apparaissant lors de la superposition cohérente d'états quantiques de la matière sont à l'origine de la compréhension et du contrôle de nombreux processus élémentaires. Dans cette thèse, deux problèmes distincts, qui ont pour origine de tels effets, sont discutés avec leurs applications potentielles : 1. Diffraction électronique induite par Laser (LIED) et imagerie des orbitales moléculaires ; 2. Effets collectifs dans des vapeurs denses et transparence électromagnétique induite par interaction dipôle-dipôle (DIET). La première partie de cette thèse traite du mécanisme de recollision dans des molécules linéaires simples lorsque le système est exposé à un champ laser infrarouge de forte intensité. Cette interaction provoque une ionisation tunnel du système moléculaire, conduisant à la création d'un paquet d'ondes électronique dans le continuum. Ce paquet d'ondes suit une trajectoire oscillante, dirigée par le champ laser. Cela provoque une collision avec l'ion parent qui lui a donné naissance. Ce processus de diffraction peut être de nature inélastique, engendrant la génération d'harmoniques d'ordre élevé (HHG) ou l'ionisation double non-séquentielle, ou de nature élastique, processus que l'on appelle généralement « diffraction électronique induite par laser ». La LIED porte des informations sur la molécule et sur l'état initial à partir duquel les électrons sont arrachés sous forme de motifs de diffraction formés en raison de l'interférence entre différentes voies de diffraction. Dans ce projet, une méthode est développée pour l'imagerie des orbitales moléculaires, reposant sur des spectres de photo-électrons obtenus par LIED. Cette méthode est basée sur le fait que la fonction d'ondes du continuum conserve la mémoire de l'objet à partir duquel elle a été diffractée. Un modèle analytique basé sur l'approximation de champ fort (SFA) est développé pour des molécules simples linéaires et appliqué aux orbitales moléculaires HOMO et HOMO-1 du dioxyde de carbone. L'interprétation et l'extraction des informations orbitalaires imprimées dans les spectres de photo-électrons sont présentées en détail. Par ailleurs, nous estimons que ce type d'approche pourrait être étendu à l'imagerie de la dynamique électro-nucléaire de tels systèmes. La deuxième partie de cette thèse traite des effets collectifs dans des vapeurs atomiques ou moléculaires denses. L'action de la lumière sur ces gaz crée des dipôles induits qui oscillent et produisent des ondes électromagnétiques secondaires. Lorsque les particules constitutives du gaz sont assez proches, ces ondes secondaires peuvent coupler les dipôles induits entre-eux, et lorsque cette corrélation devient prépondérante la réponse du gaz devient une réponse collective. Ceci conduit à des effets spécifiques pour de tels systèmes, comme l'effet Dicke, la superradiance, et les décalages spectraux de Lorentz-Lorenz ou de Lamb. A cette liste d'effets collectifs, nous avons ajouté un effet de transparence induite dans l'échantillon. Cet effet collectif a été appelé « transparence électromagnétique induite par interaction dipôle-dipôle ». La nature collective de l'excitation du gaz dense réduit la vitesse de groupe de la lumière transmise à quelques dizaines de mètre par seconde, créant ainsi une lumière dite « lente ». Ces effets sont démontrés pour les transitions D1 du 85Rb et d'autres applications potentielles sont également discutées. / Quantum interference, coherent superposition of quantum states, are widely used for the understanding and engineering of the quantum world. In this thesis, two distinct problems that are rooted in quantum interference are discussed with their potential applications: 1. Laser induced electron diffraction (LIED) and molecular orbital imaging, 2. Collective effects in dense vapors and dipole induced electromagnetic transparency (DIET). The first part deals with the recollision mechanism in molecules when the system is exposed to high intensity infrared laser fields. The interaction with the intense field will tunnel ionize the system, creating an electron wave packet in the continuum. This wave packet follows an oscillatory trajectory driven by the laser field. This results in a collision with the parent ion from which the wave packet was formed. This scattering process can end up in different channels including either inelastic scattering resulting in high harmonic generation (HHG) and non-sequential double ionization, or elastic scattering often called laser induced electron diffraction. LIED carries information about the molecule and about the initial state from which the electron was born as diffraction patterns formed due to the interference between different diffraction pathways. In this project, a method is developed for imaging molecular orbitals relying on scattered photoelectron spectra obtained via LIED. It is based on the fact that the scattering wave function keeps the memory of the object from which it has been scattered. An analytical model based on the strong field approximation (SFA) is developed for linear molecules and applied to the HOMO and HOMO-1 molecular orbitals of carbon dioxide. Extraction of orbital information imprinted in the photoelectron spectra is presented in detail. It is anticipated that it could be extended to image the electro-nuclear dynamics of such systems. The second part of the thesis deals with collective effects in dense atomic or molecular vapors. The action of light on the vapor samples creates dipoles which oscillate and produce secondary electro-magnetic waves. When the constituent particles are close enough and exposed to a common exciting field, the induced dipoles can affect one another, setting up a correlation which forbids them from responding independently towards the external field. The result is a cooperative response leading to effects unique to such systems which include Dicke narrowing, superradiance, Lorentz-Lorenz and Lamb shifts. To this list of collective effects, one more candidate has been added, which is revealed during this study: an induced transparency in the sample. This transparency, induced by dipole-dipole interactions, is named “dipole-induced electromagnetic transparency”. The collective nature of the dense vapor excitation reduces the group velocity of the transmitted light to a few tens of meter per second resulting in 'slow' light. These effects are demonstrated for the D1 transitions of 85Rb and other potential applications are also discussed.

Tesis por compendio / [ES] La fotónica de silicio es una tecnología emergente clave en redes de comunicación e interconexiones de centros de datos de nueva generación, entre otros. Su éxito se basa en la utilización de plataformas compatibles con la tecnología CMOS para la integración de circuitos ópticos en dispositivos pequeños para una producción a gran escala a bajo coste. Dentro de este campo, los interferómetros integrados juegan un papel crucial en el desarrollo de diversas aplicaciones fotónicas en un chip como sensores biológicos, moduladores electro-ópticos, conmutadores totalmente ópticos, circuitos programables o sistemas LiDAR, entre otros. Sin embargo, es bien sabido que la interferometría óptica suele requerir caminos de interacción muy largos, lo que dificulta su integración en espacios muy compactos. Para mitigar algunas de estas limitaciones de tamaño, surgieron varios enfoques, incluyendo materiales sofisticados o estructuras más complejas, que, en principio, redujeron el área de diseño pero a expensas de aumentar los pasos del proceso de fabricación y el coste. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar soluciones generales al problema de tamaño típico de los interferómetros ópticos integrados, con el fin de permitir la integración densa de dispositivos basados en silicio. Para ello, aunamos los beneficios tanto de las guías de onda bimodales como de las estructuras periódicas, en términos de la mejora del rendimiento y la posibilidad para diseñar interferómetros monocanal en áreas muy reducidas. Más específicamente, investigamos los efectos dispersivos que aparecen en estructuras menores a la longitud de onda y en las de cristal fotónico, para su implementación en diferentes configuraciones interferométricas bimodales. Además, demostramos varias aplicaciones potenciales como sensores, moduladores y conmutadores en tamaños ultra compactos de unas pocas micras cuadradas. En general, esta tesis propone un nuevo concepto de interferómetro integrado que aborda los requisitos de tamaño de la fotónica actual y abre nuevas vías para futuros dispositivos basados en funcionamiento bimodal. / [CA] La fotònica de silici és una tecnologia emergent clau en xarxes de comunicació i interconnexions de centres de dades de nova generació, entre altres. El seu èxit es basa en la utilització de plataformes compatibles amb la tecnologia CMOS per a la integració de circuits òptics en dispositius diminuts per a una producció a gran escala a baix cost. Dins d'aquest camp, els interferòmetres integrats juguen un paper crucial en el desenvolupament de diverses aplicacions fotòniques en un xip com a sensors biològics, moduladors electro-òptics, commutadors totalment òptics, circuits programables o sistemes LiDAR, entre altres. No obstant això, és ben sabut que la interferometría òptica sol requerir camins d'interacció molt llargs, la qual cosa dificulta la seua integració en espais molt compactes. Per a mitigar algunes d'aquestes limitacions de grandària, van sorgir diversos enfocaments, incloent materials sofisticats o estructures més complexes, que, en principi, van reduir l'àrea de disseny però a costa d'augmentar els processos de fabricació i el cost. Aquesta tesi té com a objectiu proporcionar solucions generals al problema de grandària típica dels interferòmetres òptics integrats, amb la finalitat de permetre la integració densa de dispositius basats en silici. Per a això, combinem els beneficis tant de les guies d'ones bimodals com de les estructures periòdiques, en termes de funcionament d'alt rendiment per a dissenyar interferòmetres monocanal compactes en àrees molt reduïdes. Més específicament, investiguem els efectes dispersius que apareixen en estructures menors a la longitud d'ona i en les de cristall fotònic, per a la seua implementació en diferents configuracions interferomètriques bimodals. A més, vam demostrar diverses aplicacions potencials com a sensors, moduladors i commutadors en grandàries ultres compactes d'unes poques micres cuadrades. En general, aquesta tesi proposa un nou concepte d'interferòmetre integrat que aborda els requisits de grandària de la fotònica actual i obri noves vies per a futurs dispositius basats en funcionament bimodal. / [EN] Silicon photonics is a key emerging technology in next-generation communication networks and data centers interconnects, among others. Its success relies on the ability of using CMOS-compatible platforms for the integration of optical circuits into small devices for a large-scale production at low-cost. Within this field, integrated interferometers play a crucial role in the development of several on-chip photonic applications such as biological sensors, electro-optic modulators, all-optical switches, programmable circuits or LiDAR systems, among others. However, it is well known that optical interferometry usually requires very long interaction paths, which hinders its integration in highly compact footprints. To mitigate some of these size limitations, several approaches emerged including sophisticated materials or more complex structures, which, in principle, reduced the design area but at the expense of increasing fabrication process steps and cost. This thesis aims at providing general solutions to the long-standing size problem typical of optical integrated interferometers, in order to enable the densely integration of silicon-based devices. To this end, we combine the benefits from both bimodal waveguides and periodic structures, in terms of high-performance operation and compactness to design single-channel interferometers in very reduced areas. More specifically, we investigate the dispersive effects that arise from subwavelength grating and photonic crystal structures for their implementation in different bimodal interferometric configurations. Furthermore, we demonstrate various potential applications such as sensors, modulators and switches in ultra-compact footprints of a few square microns. In general, this thesis proposes a new concept of integrated interferometer that addresses the size requirements of current photonics and open up new avenues for future bimodal-operation-based devices. / Financial support is also gratefully acknowledged through postdoctoral FPI grants from Universitat Politècnica de València (PAID-01-18). European Commission through the Horizon 2020 Programme (PHC-634013 PHOCNOSIS project). The authors acknowledge funding from the Generalitat Valenciana through the AVANTI/2019/123, ACIF/2019/009 and PPC/2020/037 grants and from the European Union through the operational program of the European Regional Development Fund (FEDER) of the Valencia Regional Government 2014–2020. / Torrijos Morán, L. (2021). Photonic Applications Based on Bimodal Interferometry in Periodic Integrated Waveguides [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172163 / Compendio