Focaliser l’énergie optique en un petit spot de diamètre beaucoup plus petit que la limite de diffraction a longtemps été un sujet très intéressant en photonique. Dans le domaine Térahertz (avec une longueur d’onde de l’ordre de 300 µm) ce défi est particulièrement important pour répondre à l’intérêt croissant de l’imagerie haute résolution et de la spectroscopie des matériaux d’une taille inférieure à l’échelle submillimétrique de la longueur d’onde en espace libre. Dans ma thèse, j’ai étudié le confinement des ondes de surface aux fréquences THz sur des structures métalliques de dimensions sous longueur d’onde. J’ai expérimentalement mesuré le confinement du champ électrique et calculé la relation de dispersion du mode de surface sur une structure métallique déposée sur un substrat diélectrique de faible permittivité. Ces mesures sont obtenues à l’aide d’un banc de mesures THz guidé, développé pendant ma thèse. La mesure est faite en champ proche par une sonde électro-optique micrométrique, librement positionnable. Ces résultats expérimentaux sont complétés par des simulations numériques, obtenues par le logiciel de simulation par éléments finis, Comsol Multiphysics. Les résultats expérimentaux montrent un confinement de λ/20 du mode EM de surface sur une ligne métallique rectangulaire de petites dimensions. / Focusing optical energy into a small spot diameter much smaller than the diffraction limit has long been a very interesting topic in photonics. In Terahertz (with a wavelength of about 300 microns) this challenge is particularly important to meet the growing interest in high-resolution imaging and spectroscopy of materials whose size is smaller than the wavelength in free space. In my thesis, I studied the confinement of surface waves at THz frequencies on metal structures with sub-wavelength dimensions . I experimentally measured the confinement of the electric field and calculated the dispersion relation of the surface mode on a metal structure deposited on a low permittivity dielectric substrate. These measurements are obtained using a guided-wave time domain spectroscopy set-up, developed during my PhD. The measurement is made by a near-field freely positionable electro-optical probe. These experimental results are supplemented by numerical simulations obtained by finite element analysis software Comsol Multiphysics. The experimental results show a confinement of λ/20 of the EM surface mode on a sub-wavelength dimension rectangular metal wire.

L'évolution vers de nouveaux services, comme la TV à la demande, nécessitant de grosses bandes passantes remet en question les débits transportés par chaque canal optique d'un réseau WDM. Les débits des canaux ont atteint aujourd'hui les 100 Gbit/s. Cette montée en débit doit être accompagnée par de nouvelles fonctionnalités au sein des réseaux de transport optiques. Améliorer la flexibilité et assurer la transparence des réseaux optiques sont des défis très importants auxquels les opérateurs doivent faire face aujourd'hui. Un réseau optique est dit transparent, si les signaux optiques transportés ne subissent aucune conversion optoélectronique sauf au moment de leur insertion et de leur extraction dans le réseau optique. La flexibilité, quant à elle, concerne principalement les fonctions d'agrégation et de désagrégation optiques. Aujourd'hui ces fonctions d'agrégation et de désagrégation sont réalisées dans le domaine électronique, ce qui avec la montée du débit, va engendrer un coût important pour les opérateurs. Une manière d'y remédier serait de trouver une technologie adaptée à la montée du débit et offrant la possibilité de faire de l'agrégation et de la désagrégation optique des flux de trafics. Dans cette thèse nous proposons d'étudier une technique de commutation tout-optique offrant la possibilité de faire de la commutation optique intra-canal. Cette technique, baptisée multi-bande OFDM, consiste à diviser un canal WDM en plusieurs entités appelées sous-bandes. Le nombre de ces entités dépend des contraintes technologiques des équipements utilisés pour générer le canal multi-bande (les filtres optiques, les convertisseurs analogiques/numérique et numériques/analogiques). Nous comparons la technologie multi-bande OFDM par rapport à des technologies tendancielles mono-bande : le cas mono-bande opaque et mono-bande transparent. Nous démontrons que la technologie multi-bande OFDM peut être un compromis entre ces deux technologies pour les futurs réseaux de télécommunications optiques. Pour ce faire, nous calculons les performances en termes de blocage. Nous étudions l'impact de la conversion de longueurs d'onde sur les réseaux multi-bande OFDM ainsi que l'impact d'augmenter les nombres de sous-bandes sur les performances du réseau. Nous dégageons les limites technologiques de cette approche. Dans une autre partie de l'étude, nous montrons l'intérêt économique de la technologie multi-bande OFDM. Nous exposons le gain en coût des émetteurs/récepteurs obtenu grâce au déploiement de la technologie multi-bande OFDM sur un réseau cœur et un réseau métropolitain. / The evolution of new telecommunication services, which requires large bandwidth, challenges bit-rates transported by each optical channel of a WDM network. Bit-rates of optical channels have now reached 100 Gbit/s. This increase in bit-rate must be supported by new features in optical network. Improve flexibility and ensure transparency of optical network, are very important challenges that telecom operators face today. An optical network is called transparent, if the transported optical signals are not converted in electrical domain except at the time of their insertion and extraction in/from the optical network. Flexibility concerns mainly the aggregation / disaggregation processes. Today, the functions of aggregation/disaggregation are made on the electrical domain. This generates a significant cost for operators. One way to avoid this would be to find a technology which offers high bit-rates and enable the aggregation and disaggregation functions in the optical domain. In this thesis, we propose to study all-optical switching technology at the sub-wavelength granularity. This technique, called multi-band OFDM, consists in dividing a WDM channel into multiple entities, called sub-bands. The number of sub-bands depends on the technological constraints of optical components used to transport the optical signal (optical filters, digital analogical converters, analogical digital converters, optical transponders, optical multiplexers, etc.). We compare the multi-band OFDM technology to two legacies scenarios: mono-band opaque and mono-band transparent WDM technologies. We demonstrate that the multi-band OFDM technology can be a trade-off between these two legacies scenarios. To do that, we studied the performance in terms of blocking ratio of the multi-band OFDM technology and mono-bands WDM technologies. We study the impact of increasing the number of sub-bands on network performances. We also investigate the technical limits of this technology. Moreover, we demonstrate the economic interest of the multi-band OFDM. We expose the gain on the number of transponders when the multi-band OFDM technology is deployed on metro and core network.

[…] Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à ces bandes interdites et à ces modes de propagations dans le cas d’un cristal photonique constitué d’une matrice de piliers déposés en surface d’un milieu semi-fini. L’étude des interactions entre les piliers résonants localement avec la surface du milieu semi fini nous a permis d’identifier de nouveaux modes de propagation […]Nous avons également montré comment obtenir une réfraction négative omnidirectionnelle[…] La dernière partie de ce travail a été consacré à l’étude des mécanismes permettant la propagation et le confinement d’ondes guidées[…] .Nous avons également explicité les mécanismes qui permettent de crée ce type d’ondes guidées sub-longeur d’onde et le confinement des photons de surface. / [...] We present the features of the interaction between surface acoustic wave and locally resonant pillar on the top of demi infinite medium. We shown that the photonic crystal we proposed possess an acoustic metamaterial feature for surface acoustic waves in the manner that pillars on the top of the surface introduce new guide modes in the non radiative region of the substrate outside sound cone. We also demonstrate the these guided modes are resonant modes that have frequencies greatly lower than those expected from the Bragg mechanism. […]

Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de lentilles planaires nano-structurées dédiées aux capteurs d’images CMOS dans le proche-infrarouge. L’étude des applications et des systèmes d’imagerie optronique mis en jeu ont mis en évidence l’intérêt de l’utilisation des capteurs d’images CMOS dans la bande 800-1100 nm. Les inconvénients liés au silicium et à la structure du pixel justifient l’intégration de lentilles planaires nano-structurées compatibles avec le procédé de fabrication CMOS : une lentille plasmonique, une lentille diffractive métallique dite de Huygens, une lentille diélectrique dite de phase de Fresnel et une lentille à gradient d’indice effectif. Les simulationsélectromagnétiques 2D d’un pixel CMOS complet avec chaque lentille planaire ont démontré l’intérêt de la lentille métallique dans un pixel à faible facteur de remplissage et de la lentille de phase de Fresnel pour un pixel standard. Les simulations électromagnétiques 3D ont permis la conception de ces deux dernières lentilles pour leur fabrication tandis que la lentille à gradient d’indice effectif, susceptible d’approcher le profil de phase idéal, a montré son potentiel pour les pixels CMOS. La caractérisation électro-optique a mis en évidence la performance expérimentale de la lentille de phase de Fresnel fabriquée en "post-process" au LPN-CNRS et de la lentille de Huygens fabriquée "in-process" en fonderie CMOS. Les nombreuses perspectives de ce travail liés à la fabrication et à la marge de progression des lentilles ont été explorées. / This work deals with the design, fabrication and characterization of nanostructuredplanar lenses dedicated to near infrared detection for CMOS image sensors.Applications and optronic systems involved in near infrared imaging have been investigatedin order to highlight the strong interest of CMOS images sensors for the 800-1100 nmspectral band. Limitations of silicon and pixel structure explain the integration of nanostructuredplanar lenses compatible with CMOS fabrication process : a plasmonic lens, a dielectricphase-Fresnel lens, a metallic Huygens lens and a gradient-index lens. 2D electromagneticsimulations of a CMOS pixel with each planar lens have demonstrated the good performanceof the Huygens lens for low fill factor pixels and the phase-Fresnel lens for standard pixels.3D simulations of these lenses have been performed for their integration and fabrication inCMOS image sensors. The 3D design by numerical simulations of a gradient-index lens hasshown its potential interest for CMOS pixels. The experimental performance of a dielectriclens "post-process" integrated/fabricated at LPN-CNRS and a metallic lens "in-process" by aCMOS foundy have been evaluated by electro-optical characterization. Several perspectivesof this work about lens fabrication and potential for improvement have been explored.

Dans le domaine de la nanophotonique, la compréhension des phénomènes optiques liés au guidage sub-longueur d'onde dans des structures pleines (nanofils) ou creuses (nanotubes) est un enjeu prioritaire. L'objectif de cette thèse a porté sur l'étude de la propagation lumineuse au sein de nouveaux guides d'onde nanométriques passifs et actifs. Pour cela, des nanofils et nanotubes à base de polymère ont été conçus et élaborés par méthode wetting template. Afin de caractériser leur comportement optique et en particulier la propagation sub-longueur d'onde, de nouveaux outils expérimentaux et numériques ont été développés. La modélisation des phénomènes propagatifs dans ces nanofibres a été effectuée par la méthode numérique FDTD. Les effets de la géométrie de ces nanofils et nanotubes, de par leurs dimensions (diamètres externe et interne pour les nanotubes) et du substrat sur le comportement propagatif et le niveau des pertes ont en particulier été déterminés. Sur le plan expérimental, deux types de nanofibres on été utilisés : - des nanofibres "passives" à base de polymère SU8 et - des nanofibres "actives" comportant un polymère guidant la lumière et un luminophore servant de source à l'échelle nanométrique. Pour l'étude des nanofibres de SU8, l'injection directe a été réalisée par le biais d'une fibre optique microlentillée. Un résultat marquant est l'évaluation des pertes optiques mesuré par la méthode cut- back autour de 1,25 dB/mm pour des nanotubes aux diamètres externes et internes respectivement de 240 nm et 120 nm. Cette évaluation de pertes optiques apparaît très compétitif comparativement à d'autres systèmes actuellement envisagés pour la nanophotonique intégrée. Concernant les nanofibres actives qui comportent des luminophores (cluster organométalliques ou polymère fluorescent PFO), nos études ont validé l'excitation du mode propre par caractérisation dans l'espace de Fourier. Nos résultats ont montré le potentiel de ces nanofibres organiques comme briques pour la nanophotonique. / In the field of nanophotonics, the understanding of optical phenomena related to sub-wavelength guiding in filled structures (nanowires) or hollow (nanotubes) is a priority. The objective of this thesis focused on the study of light propagation in new passive and active nanoscale waveguides. For this, nanowires and nanotubes based polymer has been designed and developed by template wetting method. To characterize their optical behavior and in particular the sub-wavelength propagation, new numerical and experimental tools have been developed. Modelling phenomena propagating in these nanofibers was performed by the numerical FDTD method. The effects of the geometry of these nanotubes and nanowires, by their size (outer and inner diameter for nanotubes) and propagating on the substrate and the behavior of losses have been determined in particular. Experimentally, two types of nanofibers have been used: - "passive" nanofibers based on SU8 polymer and - "active" polymer nanofibers having a waveguiding polymer and a luminophor as a source at nanoscale. To study nanofibers SU8, direct injection was performed through an microlensed optical fiber. A striking result is the assessment of optical losses measured by the cut-back around 1.25 dB/mm for nanotubes to external and internal diameters respectively 240 nm and 120 nm. This assessment of optical losses appear very competitive compared to other systems currently envisaged for integrated nanophotonics. Regarding the active nanofibers which comprise luminophors (organometallic cluster or fluorescent polymer PFO), our studies have validated the excitation of mode by characterization in Fourier space. Our results showed the potential of organic nanofibers as bricks for nanophotonics.

The Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) industry has seen tremendous developments over the past several decades and state-of-the-art fabrication technology has likewise been developed. This fabrication technology develops Photonic Integrate Circuits (PIC) which can guide, split, and modulate photonic waves within a small chip scale. On-chip optical phased arrayed waveguides that operate at high power overcome the current limitations of some conventional applications. This paper discusses two applications of on-chip optical waveguide systems: optical phased array (OPA)-based Light Detection and Range (LiDAR) and waveguide array Dielectric Laser Accelerator (DLA). Both the LiDAR and DLA structures require similar properties to achieve optimized performance. These properties are as follows: capability to handle high power, the ability to split the high power evenly through several waveguide branches and distribute the same degree of optical phase on each branch at specific spatial locations, efficient designs of active phase-tuning structures, and the ability to re-combine several waveguide branches into the sub-wavelength pitch spacing array without crosstalk. Additionally, both structures must resolve specific fabrication challenges on each waveguide component. To address these issues, this paper discusses the theoretical reviews of OPA, the Laser-Induced Damage Threshold (LIDT) of optical waveguide materials, and techniques to reduce crosstalk in sub-wavelength pitch size arrays, such as extreme skin-depth (e-skid) waveguides and propagation constant mismatched waveguides. We propose optimized designs for both OPA-based LiDAR and waveguide array DLA with passive and active devices, respectively, and explain the optimized parameters and its simulation results for each component from the full layout of devices. Furthermore, we discuss the fabrication process of the devices and show the resolutions of fabrication challenges, such as trapping void gaps in an e-skid array structure, writing errors of electron beam lithography of large dense patterns, and silicon nitride to silicon hybrid waveguide pattern alignments. Next, we show the experimental setups and the measurement results from the fabricated OPA devices and analyze the results. Finally, this paper concludes the research of the proposed devices and proposes more designs for both OPA-based LiDAR and waveguide arrayed DLA structures that can further increase increase its performance.<br>

A simple and novel dual-CP printed antenna is modelled and measured. The patch antennais small and achieves a low axial ratio without quadrature feeding. The measured pattern showsaxial ratio pattern squinting over frequency. Possible methods of improving the individual element are discussed, as well as an array technique for improving the axial ratio bandwidth. Three endfire printed antenna structures are designed, analyzed, and compared. The comparison includes an analysis of costs of production for the antenna structures in addition to their performance parameters. This analysis concludes that cost of materials primarily reduces the size of antennas for a given gain and bandwidth. An antenna stucture with an annular beam pattern for down-looking navigational radar is proposed. The antenna uses sub-wavelength grating techniques from optics to achieve a highly directive planar reflector which is used as a ground plane for a monopole. A fan-beam array element is fabricated for use in a digitally steered receive array for obstacle avoidance radar. The steered beam pattern is observed. The element-dependent phase shifts for a homodyned signal in particular are explored as to their impact on beam steering.

Un CRIGF (pour Cavity Resonator Integrated Grating Filter) est un filtre spectral nanophotonique présentant une bande passante étroite (inférieure au nanomètre) fonctionnant avec un faisceau relativement focalisé. Cette structure, introduite récemment (2010), est composée d'un réseau à résonance de mode guidé (ou réseau résonnant, ou encore réseau coupleur) inséré entre deux réseaux de Bragg. Les réseaux à résonance de mode guidé sont connus pour présenter dans leur spectre en réflexion (ou transmission) des pics très étroits, dus à l'excitation, via un ordre de diffraction, d'un mode guidé de la structure. Ce phénomène de résonance correspond à une anomalie de Wood. Mais leur majeure limitation reste leur très faible tolérance angulaire, et le CRIGF permet de lever ce problème.Dans la littérature, numériquement le CRIGF a été modélisée par la FDTD seulement avec d’importants temps de calculs. Nous avons utilisé la RCWA pour modéliser numériquement le CRIGF en apportant une possibilité de recherche des modes propres. Nous avons surtout montré grâce aux calculs que le comportement angulaire extraordinaire du CRIGF est très différent de celui des réseaux infinis. Nous avons prouvé grâce à la théorie des modes couplés étendue à quatre modes que cette large tolérance angulaire est due à l'existence d'un couplage additionnel qui n’existait pas dans les réseaux infinis. Grâce à une approche basée sur la cavité de Fabry-Pérot, nous avons confirmé que le CRIGF se comporte comme une cavité de Fabry-Pérot à pertes, ce qui nous a permis de définir des règles de conception simples comme le contrôle de la largeur spectrale et le repositionnement de la longueur d’onde de centrage / A CRIGF (Cavity Resonator Integrated Grating Filter) is a nanophotonic spectral filter with a narrow bandwidth (less than a nanometer) using a relatively focused beam. This structure, introduced recently (2010), is composed of a guided mode resonance grating filter (or resonant grating, or coupler grating) inserted between two Bragg gratings. Guided mode resonance gratings are known to exhibit very narrow peaks in their reflection spectrum (or transmission), due to the excitation of one guided mode of the structure via one diffraction order. This resonance phenomenon corresponds to an anomaly of Wood. But their major limitation remains their very low angular tolerance, and the CRIGF allows to overpass this problem.In literature, the numerical modeling of CRIGF was done only by FDTD with an important calculations time. We have used RCWA to model numerically the CRIGF by bringing a possibility of research of the eigen-modes. We have mainly shown thanks to calculations the extraordinary angular behavior of the CRIGF is very different from that of infinite gratings. We have proved thanks to the coupled modes theory extended to four modes that this large angular tolerance is due to an additional coupling that did not occur in infinite gratings.With an approach based on the Fabry-Perot cavity, we confirmed that the CRIGF behaves as a lossy Fabry-Perot cavity, which allowed us to define simple design rules such as the control of the spectral width and tuning the centering wavelength.