Cette thèse présente de nouveaux développements pour de petites antennes en cavité. L'objectif principal de la thèse est l'analyse de la performance de la bande passante de ces antennes pour des tailles d'ouverture qui sont petites par rapport à la longueur d'onde en espace libre. Des cavités de formes rectangulaires et circulaires intégrées dans un plan de masse infini et dans des plans de masse de dimensions latérales finies sont examinées en détail. Jusqu'à présent, dans la littérature, le choix pour ces antennes en cavités portait sur des antennes imprimées microruban (patch). L'objet de la thèse est de déterminer si les performances d'antennes en cavité de petite taille peuvent être améliorées et si oui, de quelle façon. A cet effet, nous avons tout d'abord étudié théoriquement, la limite supérieure de la bande passante pour cette configuration particulière en cavité. Nous en avons conclu que les antennes microruban intégrées dans une cavité n'atteignent pas la limite de la bande passante, ce qui est l'un des principaux résultats de la thèse. Les antennes intégrées dans une cavité avec un plan de masse infini ou fini sont ensuite analysées à l'aide de plusieurs modèles de ligne de transmission simples. Le deuxième résultat clé de la thèse un modèle de ligne de transmission spécifique et original qui montre que cette limite sur la bande passante est réellement atteignable. Par conséquent, ce modèle de ligne de transmission devient la base d'une nouvelle conception pour l'antenne en cavité. Enfin, le résultat le plus important de la thèse est la conception concrète de nouvelles antennes en cavité capables d'atteindre la performance maximale en bande passante. D'autres sujets sont abordés sont: i) la comparaison avec des structures à base d'éléments empilés en termes de bande passante, de facilité de fabrication et de coût, ii) l'extension de la limite grâce à l'inclusion de matériaux magnétiques idéaux et conducteurs magnétiques; iii) l'utilisation de la nouvelle structure d'antenne pour la constitution d'un réseau d'antennes compact; iv) les avantages de la nouvelle structure pour la réalisation d'antennes en cavité de tailles vraiment petites pour lesquelles les méthodes classiques ne permettent pas la réalisation d'antennes. / This thesis presents new developments in cavity type antennas. The main objective of the thesis is bandwidth performance analysis of antennas in cavities with aperture sizes which are small compared to the free space wavelength. Cavities of rectangular and circular shapes in an infinite and finite ground plane are investigated in detail. So far in the literature, microstrip patch antennas were the antenna of choice for cavity type antennas. The intention of the thesis is to determine if cavity type antennas can be improved and how. To this end, the bound on bandwidth for cavity antennas is investigated theoretically. It is concluded that patch antennas, in fact, do not reach the bound for cavity antennas, which is one of the key results of the thesis. Infinite and finite sized ground plane cavity antennas are further analyzed using several simple transmission line models. The second key result of the thesis is a demonstration that a special transmission line model corresponds to antennas that reach the bound on bandwidth. This transmission line model is the basis to a new cavity antenna design. Finally, the most important result is a practical, physical, design of novel cavity antennas capable of reaching the bandwidth bound. Furthermore, several additional topics are explored; i) A comparison with stacked patches design in terms of bandwidth, ease of fabrication, and cost; ii) The extension of the bound with the inclusion of ideal magnetic materials and magnetic conductors; iii) The new antenna design use in constructing a compact antenna array; iv) The benefits of the new design for constructing small cavity antennas previously not feasible with the classical design.

Les métamatériaux sont des composites artificiels présentant des propriétés électromagnétiques qu'on ne trouve pas dans la nature. Malgré des développements spectaculaires durant la dernière décennie, le potentiel de ces structures aux longueurs d'ondes optique n'est pas encore clairement défini en raison de problèmes technologiques et de contraintes physiques telles que les pertes dans les métaux entrant dans la composition des métamatériaux. Dans notre thèse, nous montrons que les métamatériaux ont des propriétés très favorables dans le contexte de l'optique intégrée dans le proche infrarouge. Nous avons développé une stratégie pour incorporer des métamatériaux dans des circuits photoniques qui n'absorbent que très peu d'énergie. Pour cela, nous ne faisons pas directement agir l'ensemble du mode guidé avec les métamatériaux, mais seulement une composante évanescente à l'extérieur du guide. Pour réaliser un tel adaptateur ou d'autres fonctionnalités, il importe de déterminer quelle géométrie de métamatériaux est la plus favorable aux applications infrarouges. Nous proposons d'utiliser des structures à base de fils d'or empilés couche sur couche. A l'aide de simulations numériques et d'expériences en espace libre, nous montrons qu'il est possible d'obtenir toute une gamme de réponses optiques en contrôlant le couplage entre les différents niveaux de fils, c'est-à-dire en ajustant la distance entre les fils ainsi que leur alignement. En particulier, nous avons réussi à contrôler séparément la réponse électrique et magnétique de nos structures, ce qui offre une flexibilité de conception qui ne se rencontre pas dans les métamatériaux proposés jusqu'à présent.

Ce mémoire de maîtrise traite des circuits actifs amplificateurs dont la conception est faite spécialement pour qu'ils soient intégrés aux métamatériaux électromagnétiques, en particulier à une antenne à ondes de fuite CRLH (Composite right/left-handed). Cette antenne a la particularité de pouvoir varier la direction de son rayonnement sur près de 180 degrés, en changeant simplement la fréquence du signal émis. Par conséquent, elle est une candidate de choix pour les applications radars. Toutefois, étant donné que son gain est relativement faible, des amplificateurs ont été ajoutés entre certaines de ses sections pour créer une antenne active CRLH [Casares-Miranda et al. , 2006]. Malheureusement, cette dernière n'est optimisée que pour une seule fréquence, donc pour un rayonnement dans une seule direction. Lobjectif de ce projet est donc la conception d'amplificateurs qui permettraient que cette antenne active ait un rayonnement optimal à toutes les fréquences. Dans ce texte, la théorie générale des métamatériaux est expliquée pour ensuite se concentrer sur les caractéristiques de l'antenne à ondes de fuite CRLH. Une étude de celle-ci est complétée de manière a déterminer les spécifications nécessaires des circuits amplificateurs qui y seront intégrés. Il est ainsi indiqué que pour fabriquer une antenne à ondes de fuite active idéale, les amplificateurs devraient avoir un gain constant sur toute la bande. Aussi, le déphasage introduit par ceux-ci doit être le plus constant possible sur toute cette bande, donc le délai de groupe de ces circuits doit être minimum. Cependant, un fait intéressant qui est amené par cette étude est qu'en intégrant des déphaseurs dans les circuits amplificateurs, il est possible de fabriquer une antenne à ondes de fuite CRLH active dont on peut obtenir une grande variété de diagrammes de rayonnement sur toute la plage de fréquences. Par conséquent, l'étude, la conception et la fabrication de circuits amplificateurs et déphaseurs sont discutées. Ces circuits sont faits avec des MESFET.

Dans cette thèse, on se propose d'étudier rigoureusement le comportement macroscopique de matériaux composites fortement contrastés dans le cadre de l'électromagnétisme. Nous considérons des structures constituées de micro-inclusions réparties périodiquement (ou aléatoirement), au sein desquelles un matériau de très grande permittivité, ou de très grande conductivité, sera disposé. En pratique, une telle structure occupe un domaine borné 3D et est éclairée par une onde incidente monochromatique (de fréquence xée) venant de l'inni. Notre approche mathématique consiste à passer à la limite dans le système de Maxwell décrivant le problème de diffraction lorsque la distance séparant les inclusions tend vers zéro, et que l'indice électromagnétique des inclusions tend vers l'infini (`fort contraste'). Nous étudions deux types de structures diffractantes 3D qui permettent de réaliser des matériaux de permittivité ou perméabilité négatives. L'étude asymptotique et basée sur la méthode de convergence double-échelle (parfois dans une variante stochastique), et les problèmes sur la cellule de périodicité qui en résultent sont résolus par méthode spectrale. Ceci permet d'obtenir explicitement les tenseurs effectifs en fonction de la fréquence, mettant ainsi en évidence leurs grandes variations autour de fréquences de résonances.

Dans cette thèse on étudie le comportement des ondes électromagnétiques lorsqu'elles rencontrent un matériau négatif, c'est-à-dire un matériau dont la permittivité électrique et/ou la perméabilité magnétique est négative. On se focalise ici sur le cas où seulement la permittivité change de signe. En dimension deux, les équations de Maxwell en régime harmonique se réduisent à deux sous-problèmes scalaires plus aisés à traiter. L'un de ces sous-problèmes autorise la propagation d'ondes de surface, appelées plasmons de surface, à l'interface entre le matériau négatif et le diélectrique, ce qui le rend particulièrement intéressant pour les applications. On se concentre sur ce sous-problème et en particulier sur sa partie principale qui correspond à une équation de conductivité. Cependant, comme la permittivité change de signe les outils classiques comme le Théorème de Lax-Milgram sont mis en défaut. Dans le premier chapitre, on introduit des outils utiles à la compréhension du reste de la thèse. On décrit en particulier comment l'étude l'équation de conductivité fait naturellement intervenir l'opérateur de Poincaré-Neumann dont le spectre encode les rapports de permittivité qui permettent l'existence des plasmons de surface. On présente une formulation intégrale et une formulation variationnelle de l'opérateur de Poincaré-Neumann et le lien qui existe entre ces deux formulations. Le second chapitre de ce manuscrit s'intéresse au caractère bien posé de l'équation de conductivité lorsque la permittivité change de signe. En utilisant des méthodes d'équations intégrales on propose une condition suffisante pour que ce problème soit bien posé. Dans le troisième chapitre de cette thèse, on se concentre sur le calcul numérique du spectre de l'opérateur de Poincaré-Neumann à l'aide des méthodes d'éléments finis. On s'intéresse à la convergence des valeurs propres calculées numériquement vers les valeurs propres théoriques. Dans le dernier chapitre, on étudie le problème de transmission des ondes électromagnétiques dans une couche métallique de permittivité négative sous l'angle des fonctions de Green. En particulier on s'intéresse au comportement de la fonction de Green pour ce problème lorsque l'épaisseur de la couche métallique tend vers zéro. / In this thesis, we study the behaviour of electromagnetic waves when interacting with a negative material. Such a material has a negative electric permittivity and/or magnetic permeability. Here we only focus on negative permittivity materials. In dimension two, Maxwell's equations in harmonic regime reduce to a couple of scalar, easier to tackle, sub-problems. One of these sub-problems allows surface waves to propagate along the interface between a negative material and a dielectric, which makes it very interesting for the applications. Such surface waves are called surface plasmons. Here, we focus on this sub-problem and more specifically on its main part which is a conductivity equation. Yet, as the permittivity sign changes between the negative material and the dielectric, it is not allowed to use the classical Lax-Milgram framework. In the first chapter, we introduce tools which are useful to understand the rest of this thesis. In particular, we describe how studying conductivity equation leads us to deal with the Poincar{'e}-Neumann operator. The spectrum of this operator encodes permittivity ratios that allow surface plasmons to propagate. We propose both the integral formulation and the variational formulation of this operator, and we explain the link existing in-between. In the second chapter of this thesis, we focus on the well-posedness property of the conductivity equation when permittivity sign changes. Using integral equation methods, we propose a sufficient well-posedness condition for this problem. In the third chapter, we deal with the numerical computation of the Poincaré-Neumann operator spectrum using finite element methods. We are interested in the convergence of numerically computed eigenvalues to the theoretical ones. In the last chapter, we study the electromagnetic wave transmission problem in a metallic layer with a negative permittivity from the Green's function point of view. In particular, we investigate the Green's function behaviour when the metallic layer thickness goes to zero.

Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude, la fabrication et la caractérisation de métamatériaux en vue d'applications dans le domaine millimétrique et submillimétrique. Dans un premier temps, nous avons tenu à rappeler les propriétés remarquables ainsi que les processus physiques mis en jeux par cette nouvelle génération de matériaux. Le manuscrit regroupe essentiellement des résultats issus d’études réalisées sur différentes structures en microondes et en terahertz : métamatériaux composites, métamatériaux entièrement diélectriques à base de résonances de Mie, ouvertures sublongueur d’ondes basés sur la transmission extraordinaire assistée par plasmons de surface. Nos investigations ont permis d’ouvrir la voie à de multiples applications dans les domaines des capteurs et des télécommunications. / This PhD dissertation is dedicated to the study, fabrication and characterization of metamaterials for millimeter and submillimeter applications. First of all we proposed to remind the extraordinary properties and physical processes involving within this new generation of materials. The manuscript contains results obtained from studies performed on different categories of metamaterials at microwave and terahertz frequencies: composite metamaterials, all dielectric metamaterials based on Mie resonances, subwavelength apertures based on the extraordinary transmission assisted by surface Plasmon polaritons. Our investigations have contributed to open the path to multiple potential applications in the field of sensors and telecommunications.

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels qui possèdent de nouvelles propriétés optiques grâce à leur structuration à l’échelle nanométrique. Un des principaux axes de recherche dans le domaine des métamatériaux s’intéresse aux indices de réfraction négatifs qui permettent la réalisation de lentilles « parfaites » ainsi que d’autres applications excitantes. Dans cette thèse, nous étudions théoriquement les propriétés de métamatériaux optiques de type « fishnet », en particulier l’origine de leur indice de réfraction négatif, ainsi que d’autres problèmes théoriques associés. La thèse peut être divisée en quatre parties.Dans la première partie, nous étudions la diffusion de la lumière à l’interface entre l’air et un métamatériau fishnet semi-infini. A l’aide d’une méthode numérique vectorielle, nous calculons les coefficients de diffusion de l’interface et nous démontrons que le transport de l’énergie est dû à un seul mode de Bloch, le mode fondamental du fishnet. Puis, en s’appuyant sur les coefficients de diffusion de l’interface et sur l’indice effectif de ce mode de Bloch, nous proposons un nouvel algorithme d’extraction des paramètres effectifs du métamatériau. Notre approche met l’accent sur le rôle clé joué par le mode de Bloch fondamental et elle permet d’extraire des paramètres effectifs plus stables que ceux obtenus avec les méthodes classiques basées sur le calcul de la réflexion et la transmission d’une couche de métamatériau d’épaisseur finie. Dans la deuxième partie, nous dérivons grâce à l’orthogonalité des modes de Bloch des expressions analytiques pour les coefficients de diffusion à l’interface entre deux milieux périodiques de périodes légèrement différentes. Nous montrons que les expressions analytiques permettent d’obtenir des résultats très précis pour différentes géométries allant de guides d’onde périodiques diélectriques à des métamatériaux métalliques. Ces expressions analytiques constituent donc un outil utile pour la conception et l’ingénierie de structures photoniques périodiques.Le mode de Bloch fondamental est central pour expliquer le phénomène de réfraction négative dans les métamatériaux fishnet. Dans la troisième partie, nous avons développé un modèle semi-analytique pour la constante de propagation complexe du mode de Bloch fondamental du fishnet. Le modèle est basé sur une analyse fine de la propagation et de la diffusion de la lumière à l’intérieur de la structure. Le modèle montre que l’origine des valeurs négatives de l’indice de réfraction sur une large bande spectrale peut être essentiellement comprise comme le résultat d’une résonance plasmonique dans les canaux transverses métal-insolant-métal du fishnet. La résonance plasmonique exalte la réponse « magnétique » du fishnet et les pertes associées à cette résonance peuvent être compensées en incluant du gain dans les couches diélectriques. En outre, le modèle simplifie l’ingénierie des paramètres géométriques des métamatériaux fishnet. C’est la résonance plasmonique dans des structures de type métal-isolant-métal (MIM) qui induit l’indice de réfraction négatif dans les métamatériaux de type fishnet. Dans la dernière partie, nous étudions le comportement asymptotique de nanorésonateurs MIM lorsque leur taille est réduite sous la limite de diffraction. En particulier, nous montrons que le facteur de qualité augmente d’un ordre de grandeur quand le volume du résonateur passe de (λ/2n)3 à (λ/50)3. Une étude complète est réalisée avec un modèle Fabry-Perot semi-analytique. Le modèle reste précis sur toute la gamme de tailles étudiées, même dans le régime quasi-statique où des effets de retard ne sont pas attendus. Ce résultat important et contre-intuitif indique que les résonances plasmoniques localisées dans des nanoparticules peuvent être comprises de la même manière que les résonances délocalisées dans des nanofils métalliques, c’est-à-dire comme des problèmes d’antennes basés sur des effets de retard. / Optical metamaterials are artificial media that exhibit new properties from structuring on the nanometric scale. One of the main researches in metamaterials investigates materials with negative refractive index, which can allow the development of perfect lens and other exciting potential applications. In this thesis, we theoretically study the properties of negative-index optical fishnet metamaterials, especially the origin of their negative-valued refractive index, and also associated theoretical problems. The thesis can be divided into 4 parts. In the first part we study the light scattering at an interface between air and a semi-infinite fishnet metamaterial. With a fully-vectorial numerical method, we calculate the scattering coefficients of the interface and find that the energy transport inside the fishnet is due to a single Bloch mode, the fundamental one. Based on the single-interface scattering coefficients and the effective index of this Bloch mode we propose a new algorithm for retrieving effective optical parameters of the metamaterial. The approach emphasizes the key role played by the fundamental Bloch mode and provides retrieved parameters that are more accurate or stable than those obtained by classical methods based only on light reflection and transmission through finite-thickness metamaterial slabs. Due to the importance of the fundamental Bloch mode in the light transport in metamaterials, in the second part, based on the Bloch mode orthogonality we derive closed-form expressions for the scattering coefficients at an interface between two periodic media with slightly different geometrical parameters, which is a computationally demanding electromagnetic problem. We show that the analytical expressions are very accurate for various geometries, including dielectric waveguides and metallic metamaterials. Thus they can be useful for designing and engineering stacks of periodic structures. As shown in the first part, the fundamental Bloch mode is central to explain the negative refraction phenomenon in fishnet metamaterials. In the third part, we derive an accurate semi-analytical model for the complex propagation constant of the fishnet fundamental Bloch mode. This is achieved by analyzing light propagation and scattering inside the fishnet. The model shows that the origin of broad-band negative index of fishnets can be mainly understood as a plasmon resonance in the transversal metal-insulator-metal (MIM) channels. The plasmon resonance enhances the ‘magnetic’ response of fishnet and the losses associated to this resonance can be compensated by including gain in the dielectric layers of the fishnet. Furthermore, the model allows an easy and precise geometrical tailoring of fishnet metamaterials. As shown in the third part, it is the plasmon resonance in metal-insulator-metal (MIM) structures that induces the negative index of fishnet metamaterials. In the last part, we study the asymptotic behavior of 3D MIM nanoresonators, as the resonator size is shrunk below the diffraction limit. In particular we show that the quality factor increases from 10 to 100 when the resonator volume is scaled down from (λ/2n)3 to (λ/50)3. We provide a comprehensive study with a semi-analytical Fabry-Perot model. The model remains accurate over the whole size scale even in the quasi-static regime for which retardation effects are not expected. This important and counterintuitive result indicates that both localized plasmon resonances in nanoparticles and delocalized resonance in elongated plasmonic nanowires can be possibly understood as a wave-retardation based antenna problem.

Cette thèse porte sur la propagation d’ondes non-linéaires dans des métamatériaux acoustiques unidimensionnels. Plus précisément, nous voulons étudier les interactions entre les non-linéarités, les pertes et la dispersion. Ce travail combine des calculs analytiques, des simulations numériques et des résultats expérimentaux. En particulier, nous concentrons notre analyses sur deux phénomènes : la génération du second harmonique et la formation de solitons acoustiques. Deux types différents de métamatériaux sont étudiés : (i) un guide d’onde chargé par une distribution périodique de trous latéraux (milieu à densité effective négative) et (ii) un guide d’onde chargé périodiquement par des  plaques élastiques encastrées (milieu à masse effective négative). En s’appuyant sur une analogie électroacoustique et sur la théorie des lignes de transmission, un modèle discret de la propagation est développé pour chaque système. L’approximation des grandes longueurs d’ondes est ensuite utilisée pour obtenir une modèle continu permettant d’établir une équation non-linéaire, dispersive et dissipative pour la propagation. Cette dernière est analysée à l’aide de la méthode des perturbations conduisant à une expression analytique pour la génération du second harmonique. De plus, la méthode des échelles multiples est utilisée pour obtenir les diverses solutions de solitons d’enveloppe (bright, dark et gray) présents dans les systèmes. Les prédictions analytiques sont corroborées par des simulations numériques directes et des mesures de la génération de second harmonique sont effectuées mettant en lumière un bon accord avec le modèle théorique. / The subject of this PhD thesis is the propagation of nonlinear waves in 1D acoustic metamaterials. More specifically we aim to study the interplay between nonlinearity, loss and dispersion. Our studies combine analytical calculations, numerical simulations and experimental results. In particular we focus our analysis on two main phenomena: the second harmonic generation and the formation of solitary waves. Two different acoustic metamaterials are studied: (i) A waveguide loaded with a periodic distribution of side holes (featuring negative effective bulk modulus) and (ii) a waveguide periodically loaded with clamped elastic plates (featuring negative effective mass density). Relying on the electroacoustic analogy and the transmission line approach, we derive a discrete lattice model for each system. The corresponding long wavelength, continuum approximation of the lattice models, leads to a nonlinear, dispersive and dissipative wave equation. From the latter, by utilising a perturbation method, we obtain analytical results regarding the second harmonic generation. Furthermore with the use of a multiple scale analysis we find various envelope (bright, gap, black and gray) soliton solutions supported by the acoustic metamaterial. The analytical predictions are corroborated by direct numerical simulations. We finally perform experiments on an acoustic waveguide loaded with a periodic distribution of side holes and measure the second harmonic generation in close agreement with our theoretical predictions.

L’étude et la réalisation de métamatériaux auto-assemblés possédant une réponse magnétique aux fréquences optiques font l’objet d’un champ de recherche très actif depuis plusieurs années. De nombreux calculs théoriques ont prédit qu’un arrangement dense de briques élémentaires plasmoniques, « les méta-atomes », conduirait à des matériaux à indice négatif actifs dans le domaine du visible. Il a été démontré qu’un nano-objet ayant un coeur de silice décoré de 12 nanoparticules d’or sphériques permettrait d’optimiser le phénomène de magnétisme optique. Ma thèse repose sur l’élaboration de ces objets à partir de particules colloïdales, parfaitement symétriques, constituées d’un coeur de silice et 12 nodules de polystyrène. Ces nodules de PS pouvant être éliminés ultérieurement par dissolution. Ces objets ont permis de fabriquer des particules de silices décorées d’un nombre précis de « patchs » ou de « fossettes ». Ces objets ont été formés en grande quantité. Nous sommes parvenus à rendre les cavités de surface des particules à fossettes collantes pour des germes d’or de 2-3 nm de diamètre et initier leur croissance. Les mesures de propriétés optiques de ces dodécapodes dorés ont reflété le couplage intense existant entre les nanoparticules plasmoniques autour du coeur diélectrique. La possibilité de faire croitre de l’argent à la surface des germes d’or permet de générer des nanorésonateurs avec des modes magnétiques optiques encore plus intenses que ceux observés pour les systèmes à base d’or. / Over the last decade, the field of self-assembled metamaterials exhibiting unusual properties such as a magnetic response in the visible range represents a challenging and attracting area. Many simulations reported that a dense arrangement of specific plasmonic sub-units called “meta-atoms”, may lead to a material with a negative refractive index. It was reported by computational modelling that a dodecapod clusters made of a central dielectric core and surrounded by a controlled number of satellites (12 satellites, here) with a specific size can exhibited some interesting properties. Here, the purpose was to fabricate such clusters from colloidal particles, which are perfectly symmetrical, made of a silica core and 12 polystyrene nodules. Subsequently, those polystyrene nodules can be dissolved to get silica particles with a specific number of “patches” or “dimples”. Those objects were synthesized in a large quantity. We were able to make those dimples sticky to tiny gold seed of 2-3 nm size and to grow then for a specific size. Optical measurements reported the strong magnetic coupling in-between the plasmonic nanoparticles around the dielectric core. We also reported that growing silver on tiny gold seeds generates stronger magnetic responses than those observed from gold clusters.

L’objet de cette étude concerne l’exploration, à la fois sur le plan théorique et expérimental, de la possibilité d’utilisation des métamatériaux pour des applications dans le domaine de la photonique aux longueurs d’onde télécoms (λ=1.5µm). L’un des principaux objectifs adressés dans le cadre de la thèse est de réaliser l’ingénierie de l’indice effectif en utilisant des résonances des plasmons de surface localisés des métamatériaux métallo-diélectriques. Deux cas particulièrement importants du point de vue de la réalisation technologique sont considérés :• Propagation en espace libre quand une onde lumineuse sous incidence normale ou oblique interagit avec une surface diélectrique recouverte d’une monocouche de métamatériaux.• Propagation dans une configuration guide d’onde avec une monocouche de métamatériaux à la surface d’un guide d’onde en Silicium.Les résultats des modélisations et des mesures expérimentales montrent que les propriétés optiques d’une mono-couche de métamatériau peuvent être décrites par celle d’une couche homogène avec un certain indice effectif. L’épaisseur de cette couche est égale à celle des motifs métalliques, à condition qu’elle soit inférieure à quelques dizaines de nm. Pour des faibles facteurs de remplissage en surface, l’indice de réfraction d’une telle couche suit l’approximation de Maxwell-Garnett. Cet indice effectif ne dépend pas de l’angle d’incidence ni de l’orientation de la polarisation de la lumière (perpendiculaire ou dans le plan d’incidence). Au voisinage de la fréquence de résonance pour un facteur de remplissage de métamatériau de 20% en surface on obtient un indice de réfraction très élevé : neff=10. Cet indice de réfraction est plusieurs fois supérieur à celui qu’on trouve dans des matériaux naturels. L’adaptation de cette approche à configuration guidée à utiliser une structure hybride composée d’une couche de métamatériau à la surface d’un guide d’onde en Silicium. Les travaux réalisés ont permis de démontrer la possibilité d’effectuer l’ingénierie de l’indice effectif et de contrôler le niveau des pertes d’un tel guide d’onde hybride en utilisant des métamatériau métallo-diélectriques à base des fils d’Au de 200X50X50nm. Le contraste d’indice au voisinage de la ligne de la résonance donné par des modélisations et confirmé expérimentalement est de ±1.5, soit plus que ce que l’on peut obtenir avec un guide Silicium gravé. Ce résultat représente une première démonstration sur le plan international de fonctionnement des métamatériaux en configuration guidée.De plus, en contrôlant l’orientation des motifs de métamatériaux, on peut réaliser un indice anisotrope. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives très prometteuses pour la réalisation de dispositifs en optique guidée utilisant les transformations d’espace. / The subject of the PhD thesis deals with metamaterials for photonic applications. The main objective is to investigate the potential of metallic metamaterials for building optical functions at NIR optical frequencies. A significant part of the work is focused on the engineering of the metamaterials effective index associated with localized plasmon resonances. Two configurations of particular importance for fabrication technology are considered:• Free space light propagation, with the incident electromagnetic wave interacting with single metafilms at either normal or oblique incidence. • Guided wave configuration, with single metamaterial layer placed on top of dielectric waveguide.For the free space configuration, the validity of the effective medium approach was investigated both numerically and experimentally with the example of metamaterials composed of either gold cut wires or split ring resonators and continuous wires on silicon substrate. On the basis of these examples it was shown that the metafilm behavior is indeed analogous to that of a homogeneous layer. The thickness of this layer is that of the deposited metal. The validity of this conclusion was verified with respect to a number of criteria consistent with the Maxwell-Garnett approximation. It was shown in particular that near the resonance frequency the effective index of the metafilm layer can reach very high values neff=10 that cannot be attained with natural materials.The effective medium approach developed for a single metamaterial layer in free space configuration was further extended to a guided wave configuration. The objective is to achieve an efficient control over the flow of light in the waveguide using effective index variations induced by metamatarial resonances. The possibility of achieving a significant effective index variation with a silicon slab waveguide covered by 200X50X50nm cut wires was investigated by numerical modeling and confirmed by experimental results. The magnitude of local index variation in the vicinity of the resonance frequency deduced from experimental data is as high as ±1.5. The possibility for controlling the local effective index at the nanoscale can be used in transformation optics applications. The hybrid metamaterial guided wave configuration may become a promising alternative to the bulk multi-layers metamaterial structures in the near infrared domain.