Cette thèse a pour but de développer de nouveaux procédés de fabrication dansle cadre de la réalisation de composants électro-optiques basés sur l’utilisation dematériaux à coefficients géants.A travers le développement de procédés de mises en forme inovants, différentsaspects théoriques et expérimentaux ont été abordés notamment avec la mise enplace d’un procédé de repolarisation dédié au Niobate de Strontium Baryum. / The objective of this thesis is to develop new manufacturing processes within theframework of the realization of electro-optical components based on specifics materialswith giant electro-opticals coefficients.Through the development of inovative methods, various theoretical and experimentalaspects were addressed, in particular through the implementation of a repolarizationprocess dedicated to Strontium Barium Niobate

L'effet photorefractif permet de réaliser de nombreuses opérations dans le domaine du traitement optique. Les semiconducteurs sont des matériaux photorefractifs qui possèdent de grandes mobilités et pour lesquels le temps d'établissement de cet effet devrait etre tres court. Nous avons réalise une étude tant expérimentale que théorique du mélange a deux ondes dans inp:fe et gaas:cr en régime d'excitation nanoseconde. Nous avons tout d'abord mis en évidence un transfert d'énergie du a l'effet photorefractif dans ces deux cristaux. De plus un second effet, absorption non lineaire, se superpose a l'effet photorefractif dans le cristal d'inp:fe. Les deux phénomènes peuvent être isoles en utilisant les symétries de l'effet photorefractif. Nous présentons une analyse complète de ces deux effets non linéaires. Pour le couplage d'onde photorefractif, deux types de porteurs de charges sont impliques dans le modelé de transport de charge. Ces porteurs (électrons et trous) sont photoexcites a partir d'un seul piège profond (fe#2#+/fe#3#+ ou cr#2#+/cr#3#+). L'absorption non linéaire ou absorption non linéaire ou absorption induite résulte de la redistribution des charges dans les différents niveaux du fer. Des simulations numériques décrivent d'une part l'évolution temporelle et la dépendance en énergie nous donnent quelques paramètres des cristaux.

L'optique constitue aujourd'hui une solution performante pour la réalisation de sources très pures en hyperfréquences, en particulier grâce à l'approche de l'oscillateur électro-optique (OEO). La pureté spectrale de ces sources est essentielle pour les applications spatiales, militaires et pour la métrologie du temps et des fréquences. Durant cette thèse, nous avons réalisé et étudié différents types d'OEO à résonateur optique en vue d'optimiser le bruit de phase de ce système. Nous avons en particulier orienté nos travaux vers une approche originale utilisant un anneau résonant fibré (ARF) passif. Ce type de résonateur présente en effet des coefficients de qualité optiques supérieurs à 109 pour des longueurs de fibre restant relativement faibles (L ~ 10 m) et facilement intégrables dans un support planaire. En parallèle, nous avons mené un travail important sur les oscillateurs à base de résonateurs optiques 3D. Concernant l'OEO à ARF, des progrès spectaculaires ont pu être obtenus grâce à une meilleure compréhension des phénomènes de bruit intrinsèques à ce système. Les deux types de bruit prépondérants étaient la conversion du bruit du laser (FM et AM) en bruit de phase RF par différentes non-linéarités (dont la photodiode) et le déclenchement d'effets non-linéaires optiques à l'intérieur du résonateur. Le contrôle de ces effets a permis en particulier d'éliminer des remontées importantes de bruit sur le spectre de l'oscillateur, et d'atteindre un niveau de bruit de phase de -128 dBc/Hz à 10 kHz de la porteuse à 10.2 GHz en utilisant un OEO à base d'un ARF passif de 100 mètres de longueur, optimisé et immunisé contre les effets non-linéaires optiques.

Notre recherche porte sur la réponse optique des nanostructures et nous sommes certainement intéressés à la modélisation de ces structures afin d'améliorer le confinement de la lumière. Ce confinement est un des paramètres qui conduisent à l'exaltation des effets optique linéaires et non linéaires, simultanément. Notre travail est divisé en deux sections, qui présentent deux effets optiques diffèrents basées sur le confinement des champs à l’intérieur du structure. Dans la première section, la réponse optique d’une nano-antenne à ouverture en forme de nœud papillon (BNA : Bowtie nano-aperture) sera étudiée en fonction de l’indice de réfraction du milieu. L’étude discute la variation de la longueur d’onde de résonance ainsi que l’intensité du champ confiné au milieu du gap de la BNA en fonction de la distance qui sépare l’antenne d’un substrat placé en face. L’étude prend le cas d’une BNA gravée au bout d’une fibre optique métallisée. Une étude numérique complète a été réalisée par des simulations numériques basées sur la méthode des différences finies FDTD-3D (Finite Difference Time Domaine – Three dimension). Le code utilisé est développé au sein du département d’Optique de l’Institut FEMTO-ST. Notre modèle numérique décrits bien la géométrie de l’antenne ainsi que la pointe. De même les propriétés optiques de la couche métallique de la sonde sont bien décrites à travers un modèle de dispersion (model de Drude). Une étude expérimentale a été réalisée en plus pour une validation des résultats collecte théoriquement, l’étude a considéré le cas de deux BNA avec des paramètres géométrique différents, néanmoins les résultats obtenues se correspond fortement aux résultats obtenues numériquement. Dans la deuxième partie, l'effet électro-optique des nanostructures sera étudié. L’effet électro-optique ou effet Pockels consiste d’une variation linéaire de l'indice de réfraction d'un milieu non-linéaire en fonction d'un champ électrique extérieur. Cependant, la variation est reliée au tenseur de susceptibilité non linéaire du deuxième ordre, ainsi, cette effet ce produit seulement dans les matériaux non-centrosymétrique. Dans notre étude les nanostructures sont fabrique avec le Niobate de Lithium (LN) qui est considéré comme le plus avantageux diélectrique pour l’exaltation des effets non linéaire grâce à ces propriétés (acousto-optique, électro-optique, piézoélectrique …). L’étude est complétée numériquement garce a des simulations basées sur la FDTD en tenant compte de la polarisation du champ. Au début, une validation de l’utilisation de la FDTD pour estimer l’effet électro-optique intrinsèque du LN a été achevée, l’étude considère un milieu homogène (pas de confinement des champs dans le milieu) qui a pour indice de réfraction celle du LN. Pour des structure qui présentes un confinement du champ plusieurs approximation ont été suggère dans cette partie. En outre, nous présentons un nouveau modèle auto-cohérent dans lequel la variation de l'indice de réfraction est modifiée au cours de la simulation. Plusieurs structure ont été discutés (réflecteur de Bragg, structure à cavité et 2D cristal photonique) qui présentent des facteurs de confinement différents. Une étude comparative entre les différentes méthodes, montre que la différence entre les résultats de chaque hypothèse devient plus important proportionnellement au facteur de confinement. / Our research is concerned with the optical response of nano-structures by modeling them in order to enhance the confinement of light in these structures, which leads to the exaltation of linear and nonlinear optical effects.Our work is divided into two sections, which are based on the enhancement of the electric field inside the structure. In the first section, we study the optical properties of a Bowtie Nano-aperture, BNA, as a function of the refractive index of the surrounding medium. The study discusses the variation of the resonance wavelength and the intensity of the enhanced field in the gap of the BNA as a function of the distance from a sample placed in front of our BNA. The BNA is engraved at the apex of a metallic coated fiber tip. In this section a theoretical study was achieved using the Finite Difference Time Domain method FDTD in which we implement a Drude dispersion model to faithfully describe the optical properties of metals. In addition, a validating experimental study was achieved and a high accordance between both results is recorded.In the second section, the electro optical effect of nano-structures is studied. Electro-optical effect or Pockels effect is the variation of the refractive index of a nonlinear media as a function of an applied external electric field. The electro-optical effect is a linear variation of the media refractive index. However it is also related to the second order nonlinear susceptibility tensor, thus it becomes a nonlinear effect that only occurs in non-centrosymetric material. In our study we chose the case of a nano-structure fabricated with Lithium Niobate. Lithium Niobate is widely used in photonic applications due to its electro-optical, acousto-optical and nonlinear optical properties. We present a theoretical study of the electro-optical effects using the FDTD simulation method. We started by approving the ability to use the FDTD to calculate the refractive index variation in bulk Lithium Niobate then we suggest different approximations to estimate the refractive index variation when the light is confined inside the structure. In addition we suggest a new self-consistent method in which the variation of the refractive index is modified during the simulation. The study shows a comparison between different assumptions (used in previous research) and the self-consistent method for various structures, like Bragg reflectors, cavity structures and 2D photonic crystals. The study shows that the difference between the results of each assumption becomes greater when the optical confinement in the structure becomes more important.

La réalisation de réseaux optiques ne nécessitant pas l'intervention d'éléments électroniques pour la détection temporaire de signaux demande des éléments de routage et d'interconnexion optique, adaptables et reconfigurables en des temps courts, de l'ordre de la milliseconde dans le cas des réseaux de télécommunications. L'utilisation de guides d'onde optiques réalisés dans des matériaux actifs par des techniques conventionnelles telles que la diffusion d'ions, l'échange protonique ou l'implantation ionique se prêtent mal à ce but. Ces techniques donnent lieu exclusivement à des guides statiques, typiquement de surface qui ne sont pas facilement modifiables. La méthode de photo-inscription transversale développée dans le cadre de cette thèse permet de franchir un cap important vers la réalisation de dispositifs purement optiques dans les quels la lumière est utilisée pour guider et manipuler la lumière sans avoir recours à de complexes étapes de fabrication. L'avantage principal est que cet effet peut être effacé, donnant lieu à des structures dynamiques sans l'intervention d'endommagements permanents du matériau. Un autre avantage est la grande versatilité par rapport à la forme des guides qui est conditionnée par la structure imposée à l'illumination de contrôle perpendiculaire à la direction de propagation. La formation de guides d'onde reconfigurables planaires à une dimension (1D) transversale a été réalisée dans des cristaux ferroélectriques photoréfractifs comme le SrxBa1xNb2O6 (SBN) ou le Sn2P2S6 (SPS), dans les longueurs d'ondes du visible ([lambda] = 514 nm et [lambda] = 633 nm). Des temps de génération et de reconfiguration des guides de l'ordre de la milliseconde ont été atteints dans le SPS. La dynamique des guides a été étudiée en s'appuyant sur des traitements théoriques et des simulations numériques. Une nouvelle méthode pour la déflexion et la modulation se basant sur la photo-inscription de guides a été proposée et démontrée expérimentalement dans les matériaux SBN et LiTaO3. Nous avons aussi montré pour la première fois la possibilité de réaliser à l'aide de cette technique le confinement dans les deux dimensions (2D) transversales. Les études expérimentales concernant l'influence des intensités des illuminations de contrôle et du champ appliqué sur le profil du guide sont en bonne adéquation avec les prédictions théoriques concernant le mode fondamental attendu / The realization transparent achievement of optical networks that do not need electronic components for the temporary detection and regenration of signals asks for optical routing and interconnection elements which are reconfigurable in short time, in the order of milliseconds in the case telecommunications networks. The use of optical waveguides in active materials made of active materials by conventional techniques, such as ion-indiffusion, proton exchange or ion implantation is badly suitable for this goal. These techniques give rise only to static waveguides close to the material surface and they are not easily modified. The technique of light inducing waveguides by lateral illumination developed in this work allows to cross an important step towards purely optical devices in which light is used to guide and manipulate light without resorting to complex manufacturing steps. The main advantage is that this effect can be erased, giving rise to dynamic structures that do note cause a permanent damage of the material. Another advantage is the versatility with respect to the form of the waveguides, that is defined by the structure imposed to control the illumination perpendicular to the direction of propagation. The feasibility of reconfigurable 1-dimensional waveguides has been experimentally demonstrated in the electro-optic ferroelectric crystals SrxBa1xNb2O6 (SBN, x=0.61) and Sn2P2S6 (SPS). The illuminating wavelengths used were 514 nm for SBN and 633 nm for SPS. Response and reconfiguration times of the order of 1 ms are shown to be possible in the case of SPS. The dynamics of the waveguides has been studied on the basis of theoretical treatment and numerical simulations. The evolution of light induced one-dimensional waveguides when the sustaining electric field is switched off leads to a novel kind of dynamic light deflection. We have studied this effect in detail using SBN and LiTaO3 crystals. Simulations of the beam propagation in the split waveguide on the base of a simple model lead to a good agreement with the experimental observations. Light modulation by the help of this effect has been demonstrated as well. Finally, we realized for the first time, the recording of dynamically reconfigurable bulk channel waveguides confined in two dimensions using lateral illumination technique. The experimental studies of the dependence of the output probe wave profile on the intensities of two control waves and on the applied electric field were found to be in good agreement with the expectations based on a simplified step profile for the photorefractive by induced refractive index change and on mode calculations

Le premier volet de cette thèse est consacré à la modélisation des phénomènes de transport dans le LN. Partant d'une analyse critique des modèles de bande usuels, nous montrons leur inadéquation dans le cas du LN et nous proposons un modèle de saut basé sur la théorie des petits polarons. Nous étudions d'abord par simulation Monte-Carlo la décroissance d'une population de polarons liés NbLi4+ relaxant vers des pièges profonds FeLi3+. Nous montrons que les pièges FeLi3+ ont des rayons effectifs particulièrement grands, rayons qui augmentent encore à température décroissante, et limitent considérablement les longueurs de diffusion des polarons. Les résultats de simulations sont ensuite confrontés aux résultats expérimentaux obtenus par différentes techniques ; Absorption photo-induite, Raman, Enregistrement holographique et Pompe-sonde. Le deuxième volet de cette thèse est consacré aux applications électro-optiques dans le LN périodiquement polarisé (PPLN). Sous l’effet d’une tension électrique, l’indice de réfraction du PPLN est périodiquement diminué et augmenté, formant ainsi un réseau d’indice activable électriquement. Un premier composant utilisant l’effet électro-optique dans du PPLN a été développé et démontré expérimentalement. Dans ce composant, la lumière est défléchie sous l’effet de la tension électrique par le réseau d’indice. Ce déflecteur de Bragg atteint une efficacité de diffraction proche de 100% avec une faible tension de commande de l’ordre de 5 V. Un deuxième composant a également été proposé, où la lumière se propage perpendiculairement aux parois de domaines du PPLN. Dans cette configuration un réflecteur de Bragg électro-optique peut être réalisé / The first part of this thesis is devoted to the modeling of transport phenomena in the LN. From a critical analysis of the usual band models, we show their inadequacy in the case of LN and we propose a hopping model based on the theory of small polarons. We first study by Monte-Carlo simulation the population decay of bound polarons NbLi4+ in deep traps FeLi3+. We show that the traps (FeLi3+) have particularly large effective radii, which increase further at decreasing temperature, and considerably limit the diffusion lengths of the polarons. The results of simulations are then compared with experimental results obtained by different techniques; Light-induced absorption, Raman, Holographic storage and Pump-Probe. The second part of this thesis is devoted to electro-optical applications in the periodically poled LN (PPLN). Under the effect of an electrical voltage, the refractive index of the PPLN is periodically decreased and increased, thus forming an electrically activatable index grating. A first component using the electro-optical effect in PPLN has been developed and demonstrated experimentally. In this component, the light is deflected under the effect of the electrical voltage by the index grating. This Bragg deflector achieves a diffraction efficiency of close to 100% with a low drive voltage of the order of 5 V. A second component has also been proposed, where light propagates perpendicularly to the domain walls of the PPLN. In this configuration an electro-optic Bragg reflector can be realized