Le développement de matériaux vitreux magnéto-optiques présentant un effet Faraday élevé répond à un besoin grandissant dans l'industrie des isolateurs de Faraday. Ceux présent sur le marché actuellement sont des monocristaux de Tb₃Ga₅O₁₂ avec une concentration en Tb élevée et un procédé de fabrication coûteux. Dans ce sens, l'objectif de cette thèse est de réaliser des verres et fibres optiques fortement concentrés en terbium. La première approche est basée sur l'élaboration dite « conventionnelle » de verre par la méthode fusion-trempe. Des verres de fluorophosphate suivant la loi de composition (100-x)(70 NaPO₃ ­ 30 BaF₂) x TbF₃ avec x = 35, 40, 45 et 50 mol.% ont été explorés et a permis l'obtention de verre massif présentant une constante de Verdet à 650 nm de -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour la composition optimale avec x = 50 mol.% en TbF₃. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour un verre de fluorophosphate. Ensuite, la seconde approche consiste à amplifier la réponse magnéto-optique du terbium en l'associant à une autre terre-rare via le co-dopage. À partir de la composition des verres co-dopés suivant la composition (en mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x REF₃) avec les niveaux de substitution x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 et 100 où RE = Pr, Dy et Ho ont été explorés. Des constantes de verdet à 600 nm de -84,2, -84,5 et -84,5 rad.T⁻¹.m⁻¹ ont été rapportées pour les verres co-dopés respectivement avec du praséodyme, de l'holmium et du dysprosium comparativement à une constante de Verdet de -81,9 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour le verre correspondant non co-dopé. Il s'agit à notre connaissance de la première démonstration de l'augmentation de l'effet Faraday par co-dopage dans des matériaux vitreux. L'influence de la géométrie de l'environnement des ions lanthanides sur l'effet associé au co-dopage a été réalisée dans des vitrocéramiques élaborées à partir des verres co-dopés de composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) avec x = 0, 1, 2, 3, 4 et 5. Ceci a permis d'observer une augmentation de l'effet Faraday par co-dopage de 7,5% pour une matrice cristalline comparativement à une augmentation de 3,7% dans une matrice vitreuse. L'interaction de super-échange associé au co-dopage est alors optimisée dans le cadre d'un environnement cristallin en raison du meilleur recouvrement orbitalaire associé. Une approche « non-conventionnelle » pour outrepasser les limites de solubilité du terbium dans une matrice vitreuse est explorée. Elle consiste en l'élaboration de verre par lévitation aérodynamique permettant d'éliminer la cristallisation induite par l'interface liquide-creuset. Des compositions binaires 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ et 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ en mol.% sont explorés et des constantes de Verdet respectives de -152 et -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ à 632 nm sont rapportées. L'exploration de compositions binaires permet également de mettre en évidence l'influence de la matrice sur l'effet Faraday. Enfin, la dernière approche vise à obtenir une fibre optique de silice à partir du procédé MCVD fonctionnalisée par l'incorporation de nanoparticules de Tb₂O₃. L'optimisation de la dispersion ex-situ de nanoparticules via le système MCVD a permis d'obtenir 4 km de fibre optique présentant une concentration de 0,1 at.% en terbium dans le cœur. Cette fibre de silice présente une constante de Verdet à 660 nm de -7,06 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour une atténuation variant de 1,34 à 0,13 dB.m⁻¹ de 700 à 1100 nm. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour une fibre de silice élaboré par MCVD. / The development of magneto-optical glassy materials with a high Faraday effect meets a growing need in the Faraday insulator industry. Those currently on the market are single crystals of Tb₃Ga₅O₁₂ with a high concentration of Tb and an expensive fabrication process. In this sense, the objective of this thesis is to realize glasses and optical fibers highly concentrated in terbium. The first approach is based on the so-called "conventional" elaboration of glass by the melt-quenching method. Fluorophosphate glasses following the composition law (100-x)(70 NaPO₃ - 30 BaF₂) x TbF₃ with x = 35, 40, 45 and 50 mol.% have been explored and allowed to obtain a bulk glass presenting a Verdet constant at 650 nm of -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the optimal composition with x = 50 mol.% in TbF₃. This value of Verdet constant is the highest reported for a fluorophosphate glass. Then, the second approach consists in amplifying the magneto-optical response of terbium by associating it with another rare-earth via co-doping. From the composition of the co-doped glasses following the composition (in mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ x REF₃) with substitution levels x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 and 100 where RE = Pr, Dy and Ho were explored. Verdet constants at 600 nm of -84.2, -84.5 and -84.5 rad.T⁻¹.m⁻¹ were reported for the glasses co-doped with praseodymium, holmium and dysprosium respectively compared to a Verdet constant of -81.9 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the corresponding non-co-doped glass. To our knowledge, this is the first demonstration of the enhancement of the Faraday effect by co-doping in glassy materials. The influence of the geometry of the lanthanide ion environment on the effect associated with co-doping was carried out in glass-ceramics developed from co-doped glasses of composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) with x = 0, 1, 2, 3, 4 and 5. This resulted in an increase in Faraday effect by co-doping of 7.5% for a crystalline matrix compared to an increase of 3.7% in a glassy matrix. The super exchange interaction associated with co-doping is then optimized in the context of a crystalline environment due to the better associated orbital overlap. An "unconventional" approach to overcome the solubility limits of terbium in a glass matrix is explored. It consists in the elaboration of glass by aerodynamic levitation allowing to eliminate the crystallization induced by the liquid-crucible interface. Binary compositions 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ and 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ in mol.% are explored and respective Verdet constants of -152 and -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ at 632 nm are reported. The exploration of binary compositions also allows to highlight the influence of the matrix on the Faraday effect. Finally, the last approach aims at obtaining a silica optical fiber, from the MCVD process, functionalized by the incorporation of Tb₂O₃ nanoparticles. The optimization of the ex-situ dispersion of nanoparticles via the MCVD system allowed to obtain 4 km of optical fiber with a concentration of 0.1 at.% of terbium in the core. This silica fiber presents a Verdet constant at 660 nm of -7.06 rad.T⁻¹.m⁻¹ for an attenuation varying from 1.34 to 0.13 dB.m⁻¹ from 700 to 1100 nm. This value of Verdet constant is the highest reported for a silica fiber processed by MCVD.

Le développement de matériaux vitreux magnéto-optiques présentant un effet Faraday élevé répond à un besoin grandissant dans l'industrie des isolateurs de Faraday. Ceux présent sur le marché actuellement sont des monocristaux de Tb₃Ga₅O₁₂ avec une concentration en Tb élevée et un procédé de fabrication coûteux. Dans ce sens, l'objectif de cette thèse est de réaliser des verres et fibres optiques fortement concentrés en terbium. La première approche est basée sur l'élaboration dite « conventionnelle » de verre par la méthode fusion-trempe. Des verres de fluorophosphate suivant la loi de composition (100-x)(70 NaPO₃ ­ 30 BaF₂) x TbF₃ avec x = 35, 40, 45 et 50 mol.% ont été explorés et a permis l'obtention de verre massif présentant une constante de Verdet à 650 nm de -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour la composition optimale avec x = 50 mol.% en TbF₃. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour un verre de fluorophosphate. Ensuite, la seconde approche consiste à amplifier la réponse magnéto-optique du terbium en l'associant à une autre terre-rare via le co-dopage. À partir de la composition des verres co-dopés suivant la composition (en mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x REF₃) avec les niveaux de substitution x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 et 100 où RE = Pr, Dy et Ho ont été explorés. Des constantes de verdet à 600 nm de -84,2, -84,5 et -84,5 rad.T⁻¹.m⁻¹ ont été rapportées pour les verres co-dopés respectivement avec du praséodyme, de l'holmium et du dysprosium comparativement à une constante de Verdet de -81,9 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour le verre correspondant non co-dopé. Il s'agit à notre connaissance de la première démonstration de l'augmentation de l'effet Faraday par co-dopage dans des matériaux vitreux. L'influence de la géométrie de l'environnement des ions lanthanides sur l'effet associé au co-dopage a été réalisée dans des vitrocéramiques élaborées à partir des verres co-dopés de composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) avec x = 0, 1, 2, 3, 4 et 5. Ceci a permis d'observer une augmentation de l'effet Faraday par co-dopage de 7,5% pour une matrice cristalline comparativement à une augmentation de 3,7% dans une matrice vitreuse. L'interaction de super-échange associé au co-dopage est alors optimisée dans le cadre d'un environnement cristallin en raison du meilleur recouvrement orbitalaire associé. Une approche « non-conventionnelle » pour outrepasser les limites de solubilité du terbium dans une matrice vitreuse est explorée. Elle consiste en l'élaboration de verre par lévitation aérodynamique permettant d'éliminer la cristallisation induite par l'interface liquide-creuset. Des compositions binaires 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ et 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ en mol.% sont explorés et des constantes de Verdet respectives de -152 et -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ à 632 nm sont rapportées. L'exploration de compositions binaires permet également de mettre en évidence l'influence de la matrice sur l'effet Faraday. Enfin, la dernière approche vise à obtenir une fibre optique de silice à partir du procédé MCVD fonctionnalisée par l'incorporation de nanoparticules de Tb₂O₃. L'optimisation de la dispersion ex-situ de nanoparticules via le système MCVD a permis d'obtenir 4 km de fibre optique présentant une concentration de 0,1 at.% en terbium dans le cœur. Cette fibre de silice présente une constante de Verdet à 660 nm de -7,06 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour une atténuation variant de 1,34 à 0,13 dB.m⁻¹ de 700 à 1100 nm. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour une fibre de silice élaboré par MCVD. / The development of magneto-optical glassy materials with a high Faraday effect meets a growing need in the Faraday insulator industry. Those currently on the market are single crystals of Tb₃Ga₅O₁₂ with a high concentration of Tb and an expensive fabrication process. In this sense, the objective of this thesis is to realize glasses and optical fibers highly concentrated in terbium. The first approach is based on the so-called "conventional" elaboration of glass by the melt-quenching method. Fluorophosphate glasses following the composition law (100-x)(70 NaPO₃ - 30 BaF₂) x TbF₃ with x = 35, 40, 45 and 50 mol.% have been explored and allowed to obtain a bulk glass presenting a Verdet constant at 650 nm of -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the optimal composition with x = 50 mol.% in TbF₃. This value of Verdet constant is the highest reported for a fluorophosphate glass. Then, the second approach consists in amplifying the magneto-optical response of terbium by associating it with another rare-earth via co-doping. From the composition of the co-doped glasses following the composition (in mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ x REF₃) with substitution levels x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 and 100 where RE = Pr, Dy and Ho were explored. Verdet constants at 600 nm of -84.2, -84.5 and -84.5 rad.T⁻¹.m⁻¹ were reported for the glasses co-doped with praseodymium, holmium and dysprosium respectively compared to a Verdet constant of -81.9 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the corresponding non-co-doped glass. To our knowledge, this is the first demonstration of the enhancement of the Faraday effect by co-doping in glassy materials. The influence of the geometry of the lanthanide ion environment on the effect associated with co-doping was carried out in glass-ceramics developed from co-doped glasses of composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) with x = 0, 1, 2, 3, 4 and 5. This resulted in an increase in Faraday effect by co-doping of 7.5% for a crystalline matrix compared to an increase of 3.7% in a glassy matrix. The super exchange interaction associated with co-doping is then optimized in the context of a crystalline environment due to the better associated orbital overlap. An "unconventional" approach to overcome the solubility limits of terbium in a glass matrix is explored. It consists in the elaboration of glass by aerodynamic levitation allowing to eliminate the crystallization induced by the liquid-crucible interface. Binary compositions 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ and 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ in mol.% are explored and respective Verdet constants of -152 and -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ at 632 nm are reported. The exploration of binary compositions also allows to highlight the influence of the matrix on the Faraday effect. Finally, the last approach aims at obtaining a silica optical fiber, from the MCVD process, functionalized by the incorporation of Tb₂O₃ nanoparticles. The optimization of the ex-situ dispersion of nanoparticles via the MCVD system allowed to obtain 4 km of optical fiber with a concentration of 0.1 at.% of terbium in the core. This silica fiber presents a Verdet constant at 660 nm of -7.06 rad.T⁻¹.m⁻¹ for an attenuation varying from 1.34 to 0.13 dB.m⁻¹ from 700 to 1100 nm. This value of Verdet constant is the highest reported for a silica fiber processed by MCVD.

Cette thèse présente les résultats obtenus au sein du projet BMV (Biréfringence Magnétique du Vide), dont l'objectif principal est la mesure de la biréfringence magnétique linéaire du vide. Cet effet est prédit dans le cadre de l'électrodynamique quantique mais n'a jamais été observé expérimentalement. La biréfringence attendue est de l'ordre de 10-24 pour un champ magnétique appliqué de 1 T. Sa mesure constitue donc un véritable défi expérimental. Dans un premier temps, le dispositif expérimental permettant la mesure de biréfringences magnétiques par polarimétrie est décrit. Puis les résultats concernant les mesures des biréfringences magnétiques circulaire (effet Faraday) et linéaire (effet Cotton-Mouton) de l'hélium et du xénon gazeux sont exposés. Enfin, une valeur de la biréfringence magnétique linéaire du vide est donnée. / In this work, we present the results obtained by the BMV (Biréfringence Magnétique du Vide) project, whose goal is to measure the linear magnetic birefringence of vacuum. This effect is predicted in the framework of quantum electrodynamics but it has never been observed experimentally. The expected birefringence is as small as 10-24, for an applied magnetic field of 1 T. Thus its measurement is an experimental challenge. First, we describe the experimental setup which allows magnetic birefringences measurements using a polarimetry method. Then, we present the results concerning the measurements of the circular magnetic birefringence (Faraday effect) and the linear magnetic birefringence (Cotton-Mouton effect) of helium and xenon gases. Finally we give a value for the linear magnetic birefringence of vacuum.

Ce travail de thèse est consacré à l’étude des propriétés magnéto-optiques de nanoparticules (NP) magnétiques de ferrite de cobalt (CoFe2O4) sous forme liquide et lorsqu’elles sont bloquées dans une matrice de silice produite par voie sol-gel. Cette dernière dispersion constitue un matériau composite à activité magnéto-optique obtenu par un procédé basse température qui le rend totalement compatible avec les technologies d’intégration. A plus long terme, ce matériau pourra contribuer à l’intégration de composants non-réciproques. L’objectif de ce travail est d’une part l’identification du type de NP qui maximise la rotation Faraday et le facteur de mérite (rapport de la rotation Faraday à l’absorption) dans le but d’améliorer la qualité magnéto-optique du matériau composite. Et d’autre part, il s’agit d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques liés aux effets magnéto-optiques de ces nanoparticules et le lien avec leurs caractéristiques physiques. L’étude est menée sur des NP magnétiques synthétisées et dispersées en phase aqueuse au laboratoire PHENIX (UMR CNRS 8234). Les mesures optiques et magnéto-optiques réalisées au laboratoire Hubert Curien (UMR CNRS 5516) ont été complétées par des mesures magnétiques XMCD au synchrotron SOLEIL. L’étude des différentes nanoparticules magnétiques a révélé que l’utilisation d’une petite taille de NP permet de multiplier par deux le facteur de mérite du matériau pour une longueur d’onde de 1,5 µm, soit une division par deux des pertes pour les composants magnéto-optiques visés. L’analyse du comportement spectral de l’effet Faraday illustre l’influence de la distribution cationique des ions Co2+ et Fe3+ dans la structure cristalline. Couplée aux mesures XMCD, l’analyse montre le besoin d’une localisation de l’ion Co2+ en site tétraédrique dans la structure spinelle pour maximiser l’effet Faraday à 1,5µm, et obtenir une anisotropie uniaxe qui permette une pré-orientation aisée des NP lors de la gélification / This work is dedicated to the study of the magneto-optical properties of cobalt ferrite (CoFe2O4) nanoparticles (NP) dispersed in liquid as ferrofluid, or blocked in a solid silica matrix realized with a sol-gel method. This last dispersion is a magneto-optical composite material, obtained with a low temperature process which insures its compatibility with photonic integration technologies, to produce, in the future, integrated non-reciprocal devices. The aim of the study is, on one hand, to identify which kind of NP can improve the Faraday effect and the merit factor (ratio between the Faraday effect and the absorption) of the composite material. On the other hand, the aim is to give a better understanding of the link between the magneto-optical properties and the physical characteristics of the NP. The study has been led on NP synthetized and dispersed as ferrofluid in PHENIX laboratory (UMR CNRS 8234). Optical and magneto-optical measurements were made in Hubert Curien laboratory (UMR CNRS 5516) and completed by XMCD analysis in Synchroton SOLEIL. Results show that it is necessary to use a small size of NP (5 nm) to maximize the merit factor at a wavelength of 1,5 µm. The spectral analysis of the Faraday effect shows the influence of the cationic distribution of Co2+ et Fe3+ in the spinelle structure. Coupled to XMCD results, this analysis shows that it is necessary to maximize the quantity of Co2+ in tetraedric sites to maximize the Faraday effect at 1,5 µm and to obtain an uniaxial anisotropy which allows to orientate the NP during the gelification of the sol-gel matrix

À l'interface entre l'optique, le magnétisme et la supraconductivité, nous cherchons à dévelop-per de nouveaux concepts pour la manipulation optique, la génération et l'étude des vortex d'Abrikosov individuels dans des systèmes supraconducteurs. D'une part, nous démontrons l'efficacité d'une méthode optique de génération spontanée d'une paire de vortex/anti-vortex par effet Kibble Zurek basée sur l'utilisation d'une impulsion laser focalisée à la surface d'un film supraconducteur. C'est une technique en champ lointain, rapide qui permet de créer et piéger une paire dans le condensat supraconducteur à une position stable et reproductible. Cette expérience est également adaptée à l'étude du scénario Kibble-Zurek, relatif à la nucléation spontanée de défauts topologiques, tels que les vortex d'Abrikosov, lors de transitions de phase rapides du second ordre. D'autre part, nous présentons les résultats d'une expérience pompe-sonde visant à étudier l'effet Faraday inverse dans le grenat de BiLuIG servant à l'imagerie magnéto-optique des vortex. Nous montrons qu'il est possible de générer un champ magnétique femtoseconde de plusieurs Tesla localisé dans le grenat grâce à une impulsion laser ultra-courte de polarisation circulaire. Ces résultats nous permettent d'étudier les conditions expérimentales pour une génération de paires de vortex/anti-vortex par méthode magnéto-optique, basée sur l'application d'un fort champ magnétique à la surface du supraconducteur. La possibilité de manipuler et générer les vortex, véritables nano-objets de l'état supraconducteur, offre des perspectives prometteuses quant au développement du contrôle optique de micro-circuits supraconducteurs tels que les jonctions Josephson. / At the interface between optics, magnetism and superconductivity, we want to develop new concepts for the optical manipulation, the generation and the study of individual Abrikosov vortices in superconducting systems. On one hand, we demonstrate the efficiency of an optical method to perform spontaneous generation of a single vortex/anti-vortex pair by Kibble Zurek effect, based on a laser pulse focused at the superconductor film surface. It is a fast far field method to create and trap a pair into the superconducting condensate at a reproducible and stable position. This experiment is also adapted to the study of the Kibble Zurek mechanism, describing nucleation of topological defects such as Abrikosov vortices during a fast second order phase transition. On the other hand, we present the results of a pomp-probe experiment to the study the inverse Faraday effect into a BiLuIG garnet used for magneto-optical imaging of vortices. We show the possibility to produce a strong femtosecond magnetic field of a few Tesla localized into the garnet with a circularly polarized ultra-short laser pulse. Those results lead to the determination of the experimental conditions necessary to generate a vortex/anti-vortex pair with a magneto-optical method based on the application of a strong magnetic field close to the superconductor surface. Fast optical manipulation and generation of vortices, which are intrinsic nano-objects of the superconducting state, should enable the development of optically driven superconducting micro-circuits such as Josephson junctions.

Ce travail est consacré à l'étude quantique du couplage du spin collectif d'un ensemble d'atomes avec le champ électromagnétique.<br /> Nous avons généré des états comprimés du champ par interaction non-linéaire en cavité avec un nuage d'atomes froids de césium se comportant comme un milieu Kerr.<br /> Nous montrons ensuite expérimentalement que l'état quantique d'un faisceau lumineux peut être transféré à une cohérence Zeeman de grande durée de vie par transparence induite électromagnétiquement dans une vapeur de césium. Deux quadratures du champ qui ne commutent pas sont stockées simultanément puis relues sans leur ajouter de bruit.<br /> Enfin, deux protocoles sont proposés pour réduire directement les fluctuations quantiques du moment angulaire collectif d'un ensemble d'atomes, soit en exploitant les non-linéarités apparaissant lors d'un piégeage cohérent de population, soit par l'intermédiaire de mesures quantiques non-destructives d'alignement utilisant un couplage linéaire par effet Raman.

L'essor des télécommunications sur fibres a conduit depuis quarante ans au développement des composants optiques intégrés. Cependant, en raison de difficultés technologiques, un dispositif n'a pas encore été réalisé de façon satisfaisante : il s'agit de l'isolateur optique, dont la fonction est de propager la lumière dans un seul sens. Ces travaux s'inscrivent dans cette problématique puisqu'ils visent à l'intégration d'un isolateur grâce à la technologie de l'échange d'ions Na+/Ag+ sur verre. La configuration adoptée se compose de trois éléments sur puce : un séparateur de polarisation et deux rotateurs de polarisation à 45 °, l'un réciproque et l'autre non. Le séparateur de polarisation a été réalisé sous la forme d'une jonction Y asymétrique. Après une étude théorique, nous présentons le procédé de fabrication ainsi que les résultats expérimentaux obtenus. Les diaphonies mesurées sont à l'état de l'art, elles dépassent (31,1 ± 0,4) dB et (32,7 ± 0,4) dB en mode TE et TM sur une plage spectrale supérieure à 70 nm. Nous avons mené l'étude du rotateur Faraday en collaboration avec le Laboratoire Télécom Claude Chappe de Saint Etienne pour la partie magnéto-optique. La structure employée est un guide d'onde à enterrage différentiel sur lequel est déposé un matériau magnéto-optique par un procédé sol-gel. Un angle de rotation non-réciproque de 50 ° a été mesuré, validant ainsi l'approche hybride. Un nouveau procédé de fabrication est également présenté pour un rotateur réciproque à évolution de mode adiabatique. Celui-ci consiste en un enterrage sous champ présentant une inhomogénéité transverse. Nous proposons finalement une méthode de fabrication de l'isolateur complet basée sur l'intégration monolithique des différents éléments. / For the past forty years, the growth of fiber telecommunications has led to the development of integrated optical components. However, due to technological issues, a device has not yet been realized: the optical isolator, which propagates light in a single direction. Our work fits into this context. It deals with the integration of an isolator using the Na+/Ag+ ion-exchange technology. The configuration we adopted consists of three elements on chip: a polarization splitter and two 45 ° polarization rotators, one is reciprocal and the other is not. The polarization splitter has been realized in the shape of an asymmetrical Y junction. After a theoretical study, we present the fabrication process and experimental results. State-of-the-art diaphonies of (31.1 ± 0.4) dB and (32.7 ± 0.4) dB have been measured in TE and TM mode over a bandwidth larger than 70 nm. The magneto-optical part of the study has been undertaken in collaboration with the Laboratoire Télécom Claude Chappe (LT2C) from Saint Etienne, France. The Faraday rotator is a selectively buried waveguide on which a magneto-optical material has been deposited using a sol-gel process. A non-reciprocal rotation of 50 ° has been measured, hence validating the hybrid approach. A novel fabrication process is presented for a reciprocal mode-evolution polarization rotator. The process consists in the burring of a waveguide under an electric field presenting a transverse inhomogeneity. We finally propose a fabrication method of the complete optical isolator. It is based on the monolithic integration of the three elements.

L’essor des télécommunications par fibre optique nécessite l’insertion en sortie des lasers d’un isolateur optique intégré protégeant celui-ci des réflexions qui le déstabilisent. Ce composant existe à l’heure actuelle sous forme massive, mais son intégration sur la même plaquette que le laser pose problème du fait de la difficulté à intégrer les bons matériaux magnétooptiques sur les substrats usuels de l’optique guidée. Dans cette perspective, l’intégration de nanoparticules magnétiques dans un sol-gel déposé sur les guides optiques est une voie prometteuse, développée par le laboratoire Hubert Curien. Cette thèse a eu pour but d’étudier de manière plus systématique le composant non-réciproque qui entre dans la fabrication des isolateurs à conversion de mode, à savoir le rotateur non-réciproque. Deux études poussées, l’une théorique, l’autre expérimentale, recoupées entre elles par des modèles numériques, ont été mises en oeuvre au cours des années de cette thèse. L’étude théorique a permis de tenir compte tous les paramètres ayant une influence sur l’état de polarisation de la lumière dans un guide magnétooptique, y compris les dichroïsmes souvent négligés. L’étude pratique, à partir d’échantillons sur verre réalisés en collaboration avec l’IMEP-LAHC et le laboratoire PHENIX, a abouti à une caractérisation quasi complète des effets magnétooptiques — longitudinaux et transverses — dans les guides et de l’influence des paramètres de fabrication sur ceux-ci. Au final, ces résultats nous ont donné une compréhension plus complète du fonctionnement des guides magnétooptiques, et nous ont permis de prédire les paramètres optimaux qu’il faudra mettre afin de fabriquer, dans un futur proche, l’isolateur complet sur une seule plaque de verre / The development of optical-fiber telecommunications requires the insertion of optical isolator between lasers and fibers, in order to protect them against perturbating reflexions. This component is currently inserted in a bulk form, but the goal is to integrate it on the same wafer than the laser; nevertheless, this is problematic due to the difficulty to integrate good magnetooptical materials on usual substrates as glass or silicon. One of the promising way to achieve this, developped by the Laboratoire Hubert Curien, is the embedding of magnetic nanoparticles into a sol-gel matrix deposited above the optical guides. This thesis aimed at studying more deeply the main non-reciprocal component of integrated mode conversion optical isolators: the non-reciprocal rotator. A theorical and a practical study have both been performed, with numerical simulations to confront them. The theorical study aimed at describing the evolution of propagation in magnetooptical waveguides with respect to all effects, even absorption and dichroïsm. Then a practical study was performed on glass samples engineered in collaboration with IMEP-LAHC and the PHENIX laboratory, and lead to a full measurement of longitudinal and transverse magnetooptical effects, and their evolution related to the fabrication parameters of the samples. Finally, these results gave us a comprehensive view of how magnetooptical waveguides behave, and we were able to predict the good parameters to choose in order to construct, in a close future, a glass-integrated optical isolator

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés à l'Institut d'Optique Théorique et Appliquée d'Orsay dans le groupe "couches minces" dirigé par J.P. Chauvineau dont le thème fédérateur des activités est la réalisation et la caractérisation de couches ultra minces de quelques fractions à quelques nanomètres d'épaisseur. Ces systèmes physiques, dont les épaisseurs sont de l'ordre de quelques distances inter-atomiques, présentent souvent des propriétés différentes de celles des matériaux massifs : celles-ci s'expliquent par des effets dimensionnels et/ou d'effets de structure cristalline qui modifient la structure électronique, les propriétés optiques, électriques, magnétiques... Il est ainsi possible d'étudier des problèmes de physique fondamentale originaux et captivants qui peuvent déboucher à court terme sur des réalisations technologiques nouvelles que ce soit dans le domaine des couches minces magnétiques (celui dans lequel j'ai été essentiellement actif) ou dans celui des réflectomètres et/ou monochromateurs X-UV, autre branche d'activité très importante du groupe "couches minces". Il est essentiel de noter que ces propriétés nouvelles ne peuvent s'interpréter correctement que par une connaissance fine des mécanismes de croissance ainsi que des structures cristallographiques et géométriques des échantillons réalisés. C'est ce but que nous avons constamment poursuivi en multipliant les méthodes d'analyse qu'elles soient in-situ et fonctionnant pendant les dépôts ou bien encore ex-situ après la réalisation des échantillons.<br />Mon travail a d'abord consisté à étudier le système de bicouches or et indium par des mesures fines, non destructives et fonctionnant pendant les dépôts de ces matériaux, telles que la mesure de la résistance électrique, du travail de sortie puis par diffraction d'électrons rapides rasants et finalement en utilisant des expériences d'absorption d'électrons de faible énergie. Les expériences de mesure de la résistance électrique nous ont permis de mettre en évidence, suivant les épaisseurs d'indium et les températures de dépôts, des modifications irréversibles que nous avons pu localiser à l'interface or/indium. Il a été possible également d'étudier leur rôle sur les effets de taille quantiques (ETQ) qui avaient été mis en évidence, pour la première fois, sur le même système par des mesures de résistance électrique par C. Pariset et J.P. Chauvineau[1, 2]. Ce phénomène d'ETQ a été ensuite décelé, d'une part par des mesures de travail de sortie en utilisant deux méthodes, celle dite de Kelvin, utilisant un pendule vibrant, et celle de la diode, et d'autre part par la diffraction d'électrons rapides rasants (RHEED). Pour pouvoir interpréter la valeur anormalement élevée de la période de ces oscillations d'ETQ détectées par les méthodes précédentes nous avons monté une expérience d'absorption d'électrons de faible énergie au travers de ces bicouches or/indium qui ont confirmé nos premières hypothèses. Le développement de ces différents résultats constituera la première partie de mon exposé.<br />Puis, dans une deuxième partie, j'exposerai les expériences de caractérisation fine des interfaces de système constitués par la superposition de couches nanométriques de métaux nobles et de métaux de transition magnétiques. Je détaillerai les résultats obtenus par RHEED, réflectométrie de rayons X mous, par diffraction de rayons X et des mesures d'EXAFS ainsi que les propriétés magnétiques nouvelles découvertes sur ces échantillons par les équipes avec qui nous avons mené, et menons encore, des collaborations étroites.<br />Pour finir je présenterai la nouvelle expérience que nous mettons en ce moment au point en collaboration avec l'équipe dirigée par G. Lampel du Laboratoire de la Physique de la Matière Condensée de l'Ecole Polytechnique à Palaiseau ainsi que les premiers résultats obtenus. Il s'agit d'étudier l'interaction d'électrons de faible énergie et polarisés en spin avec des couches minces magnétiques pour pouvoir comprendre plus finement l'origine des phénomènes de magnétorésistance géante découverts sur les échantillons évoqués dans la deuxième partie et de mesurer de manière directe les libres parcours moyens des électrons quand ceci ont des énergies faibles (quelques eV tout au plus).