Ce manuscrit porte sur la génération, la mise en forme et la manipulation de vortex optiques, c'est à dire de faisceaux laser porteurs de singularités de phase les dotant d'un moment orbital angulaire. Nous les utilisons pour photoinduire des guides optiques dans des matériaux photoréfractifs tels que le niobate de lithium tout en s'attachant à la compréhension physique des interactions vortex/milieu photoréfractif. La mise en forme et la manipulation de vortex optiques s'inscrit ici dans la perspective de réalisation de systèmes guidants dans des matériaux massifs. Liés aux nouvelles technologies, ils pourraient permettre de traiter l'information via de nouveaux composants d'interconnections. Notre solution est basée sur le principe des solitons optiques spatiaux, faisceaux invariants en propagation qui peuvent être obtenus via une interaction non linéaire appropriée. Les solitons spatiaux photoréfractifs sont associés à une modification de l'indice de réfraction du matériau par effet Pockels qui induit un guide optique au sein du matériau ayant le même profil que le soliton. Nous utilisons ici un matériau qui a fait ses preuves dans le domaine de l'optoélectronique, le niobate de lithium (LiNbO3).<br /><br />Nous présentons d'abord les notions de base relatives aux solitons et les différents moyens permettant de les obtenir. Les vortex optiques et leurs applications sont également introduits. Plus précisément, le formalisme mathématique définissant les vortex et les méthodes pour les obtenir sont décrits. D'autre part, les différents mécanismes physiques intervenant dans la formation de solitons spatiaux dans les matériaux photoréfractifs sont détaillés. Un nouveau modèle numérique intégrant des variables auparavant négligées est proposé pour une meilleure compréhension du comportement du vortex dans le niobate de lithium dopé fer que les modèles numériques utilisés jusqu'alors. Nous mettons ensuite en évidence le bon accord entre ce nouveau modèle numérique et l'observation expérimentale de l'influence de l'anisotropie du cristal sur la propagation d'un vortex en milieu photoréfractif-photovoltaïque en fonction de paramètres tels que le moment orbital du vortex et les directions de propagation et de polarisation par rapport aux axes cristallographiques du LiNbO3. Enfin, les résultats obtenus dans le chapitre précédent sont mis à profit pour définir les conditions expérimentales optimales permettant d'obtenir un quasi-soliton noir en deux dimensions induisant une structure capable de guider et confiner la lumière dans le matériau. De plus les premiers résultats expérimentaux de structures guidantes plus complexes induites optiquement avec des vortex de charges multiples sont présentés.<br />Le nouveau modèle numérique développé dans le cadre de cette thèse peut-être utilisé afin d'étudier de façon plus approfondie la dynamique des mécanismes de dislocation de vortex optiques lié à la présence de singularités de phases multiples.

Les cristaux électro-optiques (EO) comme le LiTaO3, présentent un indice de réfraction qui dépend linéairement, via l'effet Pockels, de l'amplitude d'une composante unique du champ électrique qui lui est appliqué, propriété qui permet de les utiliser comme détecteurs entièrement diélectriques, dédiés à la mesure vectorielle et non perturbative de champs électriques. Comme cette propriété est due à des effets non-linéaires, ces sondes EO possèdent des sensibilités (champ minimum mesurable) intrinsèquement faibles. Des sondes EO basées sur la modulation d'amplitude, utilisant une cavité Fabry-Pérot, permettent néanmoins d'améliorer cette sensibilité de plusieurs ordres de grandeur. Malheureusement les propriétés optiques de ces cristaux dépendent également de la température, engendrant une instabilité temporelle de la réponse EO de la sonde pour des mesures dites de «terrain».<br /> Le système développé au sein de l'IMEP-LAHC, en collaboration avec le centre d'étude de Gramat, et presenté dans ce manuscrit, a permis d'aboutir à la première mesure simultanée d'une composante du champ électrique et de la température avec une précision de l'ordre de 40 mK, et ce pendant plusieurs minutes dans des conditions expérimentales drastiques. Ce transducteur EO présente une réponse plate sur une bande spectrale allant du quasi DC à 16 GHz, une résolution spatiale d'une centaine de micron et une sélectivité supérieure à 25 dB.

Dans cette thèse, nous utilisons les propriétés spectrales remarquables des cristaux dopés aux ions de terre rare pour effectuer des opérations de transformation de Fourier temps-fréquence. Nous présentons ainsi la première démonstration expérimentale de traitement cohérent de signaux radiofréquences (RF) sur une large bande. Notre système utilise une séquence d'excitation à base d'impulsions balayées en fréquence, dérivée du processus d'écho de photons. Par cet algorithme, le spectre du signal RF à analyser est projeté dans le temps. Expérimentalement, nous avons relevé d'excellentes performances dans un cristal de Er:YSO, utilisant une transition optique dans la fenêtre télécom. En effet, la bande passante instantanée atteint 1,5 GHz, avec 24 000 canaux spectraux d'analyse. La résolution peut quant à elle descendre à 50 kHz, et la dynamique d'analyse est de 32 dB. Ces résultats ont été obtenus grâce au développement spécifique d'une source laser, dont la fréquence peut être accordée sur plusieurs GHz en quelques µs. Une boucle d'asservissement permet d'offrir une excellente précision de ces balayages en fréquence. D'autres sources laser ont également été mises au point. L'une d'elle utilise des structures d'optique intégrée, et une autre est asservie sur une cavité optique de référence, pour affiner sa largeur d'émission sous le kHz. Par ailleurs, nous présentons une première étude d'échos de photons obtenus en milieu amplificateur dans un cristal de Er:YSO. Ainsi, le rendement énergétique du processus est augmenté. De nouveaux mécanismes déphasants hors équilibre sont également mis en avant lors de la génération de l'écho de photons.

Le niobate de lithium dopé à l'erbium permet de tirer parti des propriétés optiques des ions terre rare et du fort coefficient électro-optique de la matrice. Il constitue ainsi un matériau prometteur pour la réalisation de lasers déclenchés monolithiques émettant vers 1,5 µm. En configuration guidée, l'obtention d'impulsions à forte puissance crête est en particulier envisageable à partir d'un pompage par diode laser du commerce et avec de faibles tensions de commande.<br />Dans cette perspective, un mécanisme prépondérant de réduction du gain aux fortes concentrations de dopant, caractéristique des cristaux dopés dans la masse, a été identifié et une méthode originale développée pour évaluer simplement ses effets de façon quantitative.<br />Ce mémoire souligne l'excellent accord entre les prévisions théoriques du modèle d'amplification optique mis en place puis adapté au cas de guides monomodes et les mesures réalisés sur les composants fabriqués dans le même temps par diffusion de bandes de titane dans des substrats dopés dans la masse et en surface.<br />Ceci a permis d'observer pour la première fois l'effet laser en continu dans des guides d'onde sur niobate de lithium dopé à l'erbium dans la masse et pompés par une diode à 1,48 µm. L'intégration de modulateurs électro-optiques a également conduit à l'observation d'impulsions déclenchées. Pour l'instant limitées par la puissance de pompe disponible, elles devraient pouvoir atteindre plusieurs centaines de watts de puissance crête avec des durées de quelques nanosecondes.

Les problèmes associés aux fluctuations de l'état de polarisation des signaux lumineux transitant dans la fibre optique limitent actuellement les débits en transmission. Les solutions basées sur un contrôle de la polarisation du signal utilisent principalement les propriétés de la fibre optique, des cristaux liquides ou du niobate de lithium (LiNbO3) pour les composants d'optique intégrée. Toutefois, la nature même de ces matériaux ne permet pas d'associer sur une même puce les fonctions optiques et électroniques. Pour relever le défit de la miniaturisation des dispositifs, l'utilisation des matériaux semiconducteurs s'impose. L'objectif de ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre : il s'agit d'étudier puis de concevoir un convertisseur de polarisation TE/TM intégré sur substrat semiconducteur III-V de type GaAs. Le composant se base sur les effets électro-optiques linéaires pour modifier l'état de polarisation du signal optique. Ainsi, en menant un étude sur les propriétés électro-optiques linéaires, nous avons montré que l'application de deux champs électriques croisés au niveau du guide optique permettait de modifier l'état de polarisation de la lumière avec une efficacité équivalente à celle des composants intégrés sur niobate de lithium. En modélisant la propagation des modes guidés à travers le composant, les paramètres structurels ont pu être déterminés de manière à répondre aux contraintes imposées par le mode de fonctionnement (biréfringence modale et pertes optiques TM minimales). Les guides de type "chargés enterrés" ont ensuite été réalisés en utilisant les techniques micro-photolithographiques. L'aspect relatif à la nature des contacts électriques a été ensuite développée puis les modulateurs ont été fabriqués. Les résultats issus de la caractérisation des composants sont très prometteurs et démontrent ainsi le potentiel des matériaux semiconducteurs.

Nous proposons une méthode et nous réalisons l'expérience pour la caractérisation de la forme d'onde jusqu'à 100 GHz, par échantillonnage électro-optique. L'échantillonnage électro-optique permet de déterminer l'impulsion ultra rapide générée par une photodiode dans une ligne coplanaire. Dans notre système, l'impulsion électrique est échantillonnée par un train d'impulsions laser ultra-courtes par effet électro-optique. Le faisceau du laser est sépare en deux parties. Une partie du laser excite la photodiode qui génère les impulsions électriques se propageant sur une ligne coplanaire fabriquée sur un substrat en verre. L'autre partie du laser subit un délai optique variable et traverse un matériau électro-optique placé sur la ligne coplanaire. Le champ électrique entre les conducteurs de la ligne coplanaire, modifie la polarisation du laser par l'effet électro-optique. Le changement de polarisation peut être converti en une variation d'amplitude qui peut être mesurée. Pour un retard fixe, les impulsions d'échantillonnage interceptent de manière répétitive une petite portion de la forme d'onde de l'impulsion électrique. Le retard est varié pour enregistrer l'évolution temporelle de la forme d'onde de l'impulsion électrique. Nous utilisons un logiciel de simulation électromagnétique 3D pour optimiser la structure électro-optique constituée d'une ligne coplanaire sur laquelle est posée une lame électro-optique. Nous réalisons 144 lignes coplanaires sur un substrat de verre ainsi qu'un kit d'étalonnage pour étalonner l'analyseur de réseau vectoriel utilisé pour trouver la structure optimale en conditions réelles. Nous utilisons ensuite cette structure pour reconstruire la forme d'onde de l'impulsion électrique générée par la photodiode.

Un filtre a réseau résonnant est une structure simple composée d'un empilement de quelques couches de matériau diélectrique sur lequel est gravé un réseau sub-longueur d'onde. Leur atout principal est la finesse spectrale accessible: en pratique, des facteurs de qualité supérieurs 'a 7000 ont déjà été obtenus. Les domaines d'applications concernés sont les télécommunications optique, la spectroscopie, les lasers, la détection...Nous souhaitons développer le potentiel des filtres à réseau résonnants en étudiant la possibilité d'accorder leur longueur d'onde de centrage par effet electro-optique. Nous avons choisi deux matériaux electro-optiques, le Niobate de Lithium et le Titanate de Baryum, en raison de leurs fortes propriétés électro-optiques. Nous avons développé un outil numérique basé sur la Méthode Modale de Fourier incluant des matériaux anisotropes. Ceci est indispensable pour analyser les effets liés à la polarisation de l'onde incidente. Nous avons compare différentes configurations, permettant une accordabilité forte (jusqu'à 90nm) ou faible, indépendante ou non de la polarisation. Pour chaque cas, une interprétation physique des 105 effets observés est donnée. Enfin, nous concluons par des considérations pratiques concernant la fabricabilité des structures et l'influence des pertes par absorption.

Cette thèse de doctorat a pour but de fabriquer des systèmes électro-optiques compacts en utilisant les propriétés des cristaux photoniques (CP).). Le niobate de lithium (LiNbO3) est très attractif pour les applications optiques (télécommunications optiques, biomédical, astrophysique) car il a de faibles pertes en propagation (0.1 dB/cm ou moins), une faible dispersion en longueur d’onde, une large bande de transparence (350-5000 nm), et des forts coefficients Electro-optiques, non-linéaires et acousto-optiques. Cependant, les composants optiques utilisant ce matériau présentent classiquement un encombrement supérieur au centimètre, ce qui est dommageable pour leur intégration dans des circuits optiques compacts. Nous cherchons à démontrer plus précisément la faisabilité de modulateurs électro-optiques ultra-compacts tout en gardant les performances des modulateurs de type Mach-Zehnder, telles que de faibles pertes d'insertion, une faible tension de commande et un fort taux d'extinction. Nous proposons de remplir ces objectifs par l'usinage de cristaux photoniques à haut facteur de forme sur des guides LiNbO3, en associant découpe à la scie circulaire de précision et gravure par faisceau d'ion focalisé. La configuration s’appuie d’une part sur une tranche fine (ridge) de LiNbO3 qui confine la lumière transversalement, et d’autre part sur l'usinage du CP à haut facteur de forme pour favoriser une forte sensibilité à la présence de champs électriques externes sur des longueurs actives de l'ordre du micromètre. Les hauts facteurs de forme seront obtenus en usinant les ridges sur leur sommet et sur leurs flancs. Un premier enjeu, technologique, est destiné à optimiser les technologies développées à l’institut FEMTO-ST en vue d’applications à l’optique intégrée. Le deuxième enjeu, scientifique, s’agit de mettre en oeuvre une nouvelle configuration de contrôle de la lumière à l’aide d’un cristal photonique, présentant un double usinage sur les flancs et le sommet. C'est la première démonstration expérimentale de nanostructures LiNbO3 à haut facteur de forme. / The main goal of this PhD thesis is to fabricate compact electro-optical devices in exploiting the properties of photoniccrystal (PhC). Lithium niobate (LiNbO3) is a very attractive material for optical applications (such as opticaltelecommunication, biomedicine, astrophysics) thanks to its low propagation losses (0.1 dB/cm or less), its weakwavelength dispersion, its large optical bandwidth (350-5000 nm), and its strong electro-optical, non linear and acoustoopticalcoefficients. However, classical LiNbO3-based optical components possess active lengths of several centimers,which is not benefic for their good integration in compact optical circuits.We will focus this study more precisely on the feasibility of ultra-compact electro-optical modulators while keeping theperformances of commercialized LiNbO3 Mach-Zehnder type modulators, like their low insertion losses, their high extinctionratios, and their low power consumptions. To overcome this challenge, we will structure high aspect ratio photonic crystalson lithium niobate waveguides by combining optical grade dicing and focused ion beam milling. The main configuration isbased on the technology of LiNbO3 ridge waveguide in order to confine the light laterally and on the nano-structuration ofhigh aspect ratio photonic crystal on the ridge waveguide to enhance the sensibility to electric field stimuli on a fewmicrometers only. Structuring such high aspect ratio PhC will be possible thanks to focused ion beam milling from thetopside and the lateral side of the waveguide.The first issue is to optimize the technology developed in FEMTO-ST Institute for the fabrication of LiNbO3 integratedcomponents. The second issue is to create new configurations to control the propagation of light. This will be the firstexperimental demonstration of high aspect ratio LiNbO3 nanostructures.

La microscopie électro-optique est une nouvelle technique de cartographie quantitative micrométrique des champs électriques et des composantes du tenseur électro-optique d'un milieu. Techniquement, il s'agit de mesurer le déphasage engendré par effet Pockels au moyen d'un microscope confocal inclus dans un interféromètre en détection homodyne. L'échantillon doit être transparent, non linéaire quadratique et soumis à un champ électrique, intrinsèque ou appliqué. Cette thèse présente tout d'abord une étude théorique de la microscopie électro-optique. On y décrit la réalisation pratique du microscope. Les résultats obtenus sur un premier échantillon en couche polymère sont ensuite étudiés et on présente la première mesure de déphasage par effet Pockels dans une membrane phospholipidique dopée. Les perspectives d'applications à des mesures de potentiels transmembranaires sont présentées. Les difficultés technologiques qui seront rencontrées sont détaillées et des solutions sont proposées.

L'augmentation du débit des télécommunications nécessite la réalisation de circuits intégrés possédant des fréquences de coupure de plus en plus élevées. Le test et la caractérisation de ces composants atteignent les limites des outils de mesure classiques<br />(analyseur de réseau et oscilloscope à échantillonnage). Depuis quelques années, la technique d'échantillonnage électro-optique basée sur l'utilisation d'un laser femtoseconde s'avère une bonne solution pour répondre à ce problème. Le déclenchement du banc d'échantillonnage électro-optique est dans notre cas assuré par un photoconducteur réalisé en InGaAs épitaxié sur InP. L'utilisation de cette couche semiconductrice permet l'utilisation de sources laser femtosecondes à 1,55 µm mais aussi rend le photoconducteur compatible avec la filière InP, matériau de base pour les composants télécoms. L'irradiation ionique de la couche semiconductrice introduit des défauts qui jouent le rôle de pièges pour les porteurs libres rendant ainsi le composant ultra-rapide. L'effet de l'irradiation ionique sur les propriétés ”matériau” de l'InGaAs est tout d'abord étudié. Un modèle de répartition en paires de Frenkel permet d'expliquer l'évolution de la mobilité et du temps de vie des électrons pour des matériaux irradiés par des protons. Les photoconducteurs ultra-rapides utilisant les couches actives d'InGaAs irradiées génèrent des impulsions électriques de largeur à mi-hauteur 2,2 ps avec une amplitude de 0,65 V pour une polarisation de 3V. Le déclenchement du banc d'échantillonnage électrooptique est donc assuré par un photoconducteur irradié et la mesure est réalisée grâce à une sonde électro-optique de tantalate de lithium (LiTaO3) miniature. Les performances du banc d'échantillonnage permettent la caractérisation de nombreux composants : des photodiodes de bande passante supérieure à 65 GHz, des lignes coplanaires et un amplificateur distribué de bande passante 60 GHz, réalisé par Alcatel-Opto+. Cette mesure permet d'évaluer la réponse temporel en petits et grands signaux de l'amplificateur.