Les nanotechnologies ont atteint une maturité qui permet de concevoir, avec un haut niveau de fiabilité, des composants fonctionnalisés pour des systèmes optiques complexes. Cette thèse traite, dans ce cadre, du filtrage spectral. J'ai ainsi proposé un nouveau concept de filtre composé d'un guide d'onde en diélectrique et d'un réseau métallique sub-longueur d'onde. Dans un premier temps, j'ai conçu, fabriqué et caractérisé des structures (unidimensionnelles 1D ou bidimensionnelles 2D) basées sur ce concept. J'ai mené l'analyse détaillée du mécanisme de résonance, et j'ai étudié les propriétés de ces structures en termes d'accordabilité spectrale, de polarisation, d'efficacité de réjection, et de tolérance angulaire. J'ai par la suite proposé des variantes de ces structures pour en améliorer l'efficacité de réjection et la tolérance angulaire. Dans un deuxième temps, j'ai entrepris d'utiliser les différentes variantes de ce type de composant pour des applications de filtrage angulaire ou d'imagerie multispectrale. Concernant cette dernière, une matrice de 24 filtres a été optimisée et intégrée dans une caméra multispectrale infrarouge cryogénique pour des applications d'estimation de la concentration de CO2 ou de télémétrie. Les difficultés liées aux conditions réelles d'utilisation de la caméra sont mises en évidence et des solutions sont proposées pour améliorer nos résultats, déjà très encourageants.

Les objets structurés à l'échelle sub-longueur d'onde sont le siège d'interactions lumièrematière permettant d'obtenir des résonances d'amplitude extraordinaire localisées spectralement. Ils permettent ainsi la réalisation de filtres spectraux dans l'infrarouge. Pour améliorer les performances de ces filtres et ce, notamment en termes d'efficacité de réjection, j'ai étudié au cours de ma thèse la superposition de structures sub-longueur d'onde identiques mettant en jeu des modes évanescents et propagatifs. J'ai ainsi mis en évidence la présence d'une extinction extraordinaire de la transmission ou de la réflexion lorsque les structures sont en champ proche. L'origine de ce phénomène est révélée dans ce manuscrit grâce à la mise en place d'une approche heuristique basée sur la formule de Mason et la traduction des interactions entre les modes propagatifs et évanescents en graphes de fluence. J'ai ainsi pu établir des règles de conception qui ouvrent la voie vers le design de structures filtrantes hautes performances à forte efficacité de réjection hors bande passante. De manière à valider cette étude théorique, j'ai conçu et fabriqué une structure encapsulée dans du diélectrique qui a permis de démontrer la fonction d'amélioration de l'efficacité de réjection dans les structures superposées. Parallèlement, j'ai cherché à étudier l'agilité spectrale de cette extinction extraordinaire en superposant dynamiquement deux structures filtrantes par le biais d'actionneurs piézoélectriques. Véritable challenge expérimental, ce banc a nécessité la mise en place d'une procédure d'alignement originale des réseaux sublongueur d'onde pour une mise en champ proche par assemblage.

Dans le domaine du proche infrarouge et du moyen infrarouge (3-10 µm), les besoins évoluent vers une plus grande complexité des fonctions optiques et un niveau d'intégration plus élevé des systèmes. Ceci est particulièrement vrai dans un contexte spatial ou aéronautique visant à l'observation de la terre, où l'on cherche simultanément à accroître le nombre de bandes spectrales acquises et à miniaturiser les systèmes d'observation. Cela se traduit notamment par une pixellisation des filtres afin que ceux-ci soient intégrés dans une matrice réalisant plusieurs fonctions optiques. Or, les méthodes traditionnelles de fabrication de filtres optiques utilisant des empilements de couches minces n'ont pas démontré leur capacité à répondre au besoin de pixellisation dans l'infrarouge. C'est pourquoi il est nécessaire d'étudier de nouveaux concepts de filtrages issus du domaine de la photonique permettant de s'affranchir de ces limitations. Les "zero-contrast gratings" (ZCG),qui constituent une sous-catégorie des réseaux résonnants, ont démontré leur capacité à réaliser des filtres en transmission accordables de grande efficacité dans le proche-infrarouge, tout en ayant une structure très simple. Néanmoins, leur faible bande passante et leur tolérance angulaire réduite en limitent la pertinence pour des applications pixellisées dans le moyen-infrarouge. Nous présentons dans cette thèse diverses structures basées sur ce même concept de ZCG. D'une part nous introduisons des filtres 1D doublement corrugués de bande passante variant entre 1 et 200 nm, dont les tailles de pixels accessibles sont de l'ordre de 100 µm, accordables sur une bande de 200 nm. D'autre part, nous avons développé un nouveau concept de filtre, dit "ZCG TE/TM" dont le fonctionnement permet de dépasser une limitation très restrictive des ZCGs conventionnels pour le choix des matériaux. La fabricabilité de ces dispositifs a été démontrée lors d'opérations technologiques menées en salle blanche. Un premier démonstrateur de filtre 1D doublement corrugué été caractérisé optiquement. / In the near-infrared (NIR) and mid-infrared (MIR) spectral domains (3-10 µm), requirements and needs evolve toward more complex optical functions and highly-integrated systems. This is especially relevant in the context of space and aeronautics applications for earth observation, where the aim is to increase the number of acquired spectral bands while simultaneously reducing the device footprint. These requirements translate into a pixelization of the filters so that they can be integrated into a mosaic which also performs the spatial filtering and different spectral functions. As of today, conventional thin films filter technologies haven't been shown to achieve this goal. As a result, different filtering concepts originating from the field of photonics which could overcome these limitations must be investigated. "Zero-contrast gratings" (ZCG) are a kind of guided-mode resonance filters that have proved to implement efficient tunable transmission filters in the MIR, while having a very simple structure. Nevertheless, their narrow transmission linewidth and weak angular acceptance hinder their applicability for pixelated applications in the MIR. We present in this work several structures based on the ZCG concept. On the one hand, we have introduced doubly-corrugated 1D filters with bandwidths ranging from 1 to 200 nm, allowing for 100 µm pixel sizes and tunable over a domain of 200 nm. On the other hand, we have shown a novel filtering concept, which we called "TE/TM ZCG". This new generation of ZCG is not bound by stringent material requirements inherent to conventionnal ZCGs. Their fabrica- bility have been demonstrated through cleanroom operations. A first doubly-corrugated 1D filter has been fabricated and characterized optically.

L'objectif de ce travail est la réalisation d'un filtre spectral à fort facteur de qualité (20000), indépendant de la polarisation et accordable en longueur d'onde. Un tel composant répondrait à de nombreux besoins, notamment en imagerie spectroscopique. Pour le réaliser, les réseaux résonnants semblent tout indiqués. En effet, la position du pic de résonance est naturellement accordable en fonction de l'angle d'incidence, et des facteurs de qualité de 10000 sont classiquement atteints. Cependant, en général, la réponse des réseaux résonnants dépend de la polarisation ce qui les limite à des applications où la polarisation est connue. Pour résoudre ce problème, nous adoptons une approche originale mise en œuvre dans une structure innovante comportant deux réseaux 1D croisés. Nous donnons alors un exemple de filtre en réflexion indépendant de la polarisation, accordable sur 100 nm à raison de 8.5 nm/°, avec un facteur de qualité de 13000. Pour un fonctionnement dans le proche infrarouge, nous proposons des matériaux et techniques de la microélectronique sur silicium et montrons qu'il est ainsi possible de fabriquer ces structures avec la précision requise.

L'analyse spectrale d'une scène infrarouge permet une meilleure identification des objets la composant. Il est possible d'obtenir du filtrage spectral grâce à des résonances optiques au sein de nanostructures. Cette thèse traite de l'utilisation de structures à réseau sub-longueur d'onde pour obtenir des filtres spectraux à l'échelle d'un pixel de détection. Je me suis concentré sur l'étude de filtres à résonance de mode guidé, constitué d'un réseau de couplage associé à une couche mince diélectrique, qui nécessite typiquement de grandes surfaces pour fonctionner. J'ai mené une étude numérique du comportement spectral et angulaire de ces structures et j'ai envisagé deux possibilités pour obtenir un filtrage sur de petites dimensions: l'utilisation d'une cavité résonante dans le guide d'onde à l'aide de miroirs latéraux et l'utilisation de réseaux métalliques.L'analyse numérique de la réponse optique des structures à réseau métallique montre qu'il est possible d'obtenir une extension spatiale limitée du champ électromagnétique dans le guide d'onde à la résonance. Grâce à cette faible extension, j'ai pu étudier numériquement des filtres à résonance de mode guidé foisonnants sur des longueurs aussi faibles que 30 µm. J'ai aussi pu établir un processus de fabrication en salle blanche puis caractériser des filtres de la taille d'un pixel de détection infrarouge.Finalement, j'ai étudié la possibilité de fabriquer des mosaïques de filtres à résonance de mode guidé pour le filtrage spectral à proximité d'un détecteur plan focal. J'ai pu démontrer que les dimensions, les transmissions résonantes et les tolérances angulaires de ces filtres les rendent compatibles avec une telle utilisation. J'ai alors pu montrer un exemple d'architecture simple de caméra multi-spectrale infrarouge mettant en jeu une mosaïque de filtres à résonance de mode guidé. / Spectral analysis of an infrared scene allows for a better identification of its components. Nanotechnologies offer new opportunities to achieve spectral filtering thanks to optical resonances. In this thesis, I use sub-wavelength gratings to achieve spectral filtering on areas as small as a pixel. I focused on the study of guided-mode resonance filters, made of a coupling grating and a thin dielectric layer acting as a waveguide. This structure typically needs large surfaces to filter infrared light. However, I proposed two possible modifications of this structure: either using a resonant cavity or using metallic gratings.Numerical analysis of the optical response of structures with a metallic grating showed that the spatial extension of the electromagnetic field is limited at the resonant wavelength. Thanks to this short extension, I is possible to achieve filtering with only 30 µm-long guided-mode resonance filters. I also fabricated and characterized those pixel-sized filters.Finally, I studied mosaics of small guided-mode resonance filters. I showed that the dimensions, the resonant transmissions and the angular acceptance of those mosaics are compatible with using them inside multi-spectral cameras. I also showed a sample architecture for an infrared multispectral-camera using a mosaics of guided-mode resonance filters.

L'évolution de la technologie CMOS autorise la réduction des dimensions transverses du pixel d'imageur qui atteignent aujourd'hui 1.75μm. Son épaisseur, en revanche, ne peut être réduite sans modifier le principe de filtrage existant, assuré par des résines colorées absorbantes dont l'épaisseur fixe le profil spectral en transmission. Ces résines ont, de plus, une faible tenue en température et doivent être positionnées au sommet de l'empilement métallo-diélectrique que constitue le pixel. Ces deux facteurs contribuent à la dégradation de la résolution optique du capteur. Dans ce mémoire, nous discutons des possibilités de les remplacer par des structures diffractives métalliques bi-périodiques, moins épaisses et plus résistantes aux traitements thermiques. Pour cela, une nouvelle formulation de la Méthode des Eléments Finis a été introduite. Cette technique, très générale, de résolution d'équations aux dérivées partielles est adaptée, de par sa flexibilité, à la richesse géométrique du pixel CMOS et à la complexité des structures diffractives pressenties. Dans un premier temps, cette méthode a été validée numériquement dans le cas scalaire, puis expérimentalement grâce à des photodiodes de test munies de réseaux mono-dimensionnels. Dans un second temps, la formulation a été généralisée au cas vectoriel de la diffraction d'une onde plane d'incidence et de polarisation arbitraires par un réseau bi-dimensionnel quelconque. Enfin, ce modèle est exploité pour dégager un jeu de paramètres opto-géométriques de réseaux croisés permettant de filtrer la lumière dans ses composantes Rouge, Verte et Bleue.

Les diodes laser à cavité étendue commerciales offrent une émission monomode continû-ment accordable autour de 1550 nm sur une plage allant jusqu'à 150 nm. De telles performances nécessitent une excellente stabilité mécanique et des ajustements très délicats. De plus, pour éviter tout fonctionnement multimode, la puissance maximale doit être limitée. L'insertion d'un cristal photoréfractif dans le résonateur crée un filtre spectral adaptatif qui permet de relâcher ces contrain-tes. Dans ce manuscrit, nous démontrons et modélisons le fonctionnement d'un tel système.<br />Tout d'abord, nous étudions les conditions requises pour garantir une oscillation monomode stable en absence de cristal. Les processus non-linéaires induisant des mélanges d'ondes (hole bur-ning spectral, échauffement des porteurs et pulsations de la densité de porteurs) et donc des coupla-ges entre modes sont étudiés et pris en compte pour modéliser les conditions de sauts de modes.<br /> Ensuite, nous modélisons le filtre photoréfractif. Son principe de fonctionnement est le sui-vant : la figure d'onde stationnaire du mode est reproduite dans le volume du cristal sous la forme d'une modulation d'indice qui correspond donc à un réseau de Bragg et agit comme un filtre spec-tral. Une stabilisation du mode oscillant est obtenue grâce à l'effet combiné de ce filtre adaptatif et du filtrage passif de la cavité étendue (réseau monté en configuration Littman).<br /> Puis, nous présentons les améliorations apportées par cette technique de filtrage auto-organisable. Expérimentalement, nous démontrons que, grâce une prévention efficace des sauts de modes et des fonctionnements multimodes, une oscillation monomode stable peut être maintenue pour des puissances supérieures à celles atteignables en absence de cristal. Enfin, nous confrontons les mesures aux modélisations de la cavité auto-organisable où les phénomènes de couplage de mo-des et le filtre photoréfractif sont pris en compte simultanément.