Cette thèse porte sur l'interaction lumière-matière au sein de nanostructures placées dans des cavités optiques à base de semi-conducteurs nitrures. A l'aide d'expériences de micro-photoluminescence dans l'ultra-violet, nous étudions les propriétés optiques de boîtes quantiques GaN/AlN dans des microcavités planaires et celles de puits quantiques GaN/AlN insérés dans des microdisques AlN.Afin d'améliorer la collection du faible signal de photoluminescence de boîtes quantiques uniques, nous utilisons des microcavités planaires pour modifier le diagramme d'émission d'une boîte quantique. Le dessin des microcavités est optimisé grâce à des simulations numériques basées sur la méthode des matrices de transfert en présence d'un émetteur. Nous montrons que, pour une microcavité nitrure à base de miroirs de Bragg AlN/AlGaN, la collection des photons émis par une boîte quantique peut être théoriquement améliorée d'un ordre de grandeur, ce qui est confirmé par nos mesures sur boîtes quantiques uniques, ouvrant ainsi la voie à des études avancées de corrélations de photons dans l'UV.La seconde partie des travaux est dédiée à la réalisation d'un micro-laser opérant dans l'UV profond et à température ambiante. En utilisant des puits quantiques GaN/AlN de 2,8 mono-couches, crûs sur substrat silicium et insérés dans des microdisques AlN, nous observons une émission laser à 275 nm sous pompage optique impulsionnel. Cette démonstration montre le fort potentiel des semi-conducteurs nitrures pour la nano-photonique UV sur silicium. / This thesis addresses the light-matter interaction in nitride nanostructures embedded in optical microcavities. By using micro-photoluminescence experiments, we study the optical properties of GaN/AlN quantum dots embedded in planar microcavities and those of GaN/AlN quantum wells in AlN microdisks.By placing quantum dots in planar microcavities, we are able to modify the emission diagram and increase the collection efficiency. The design of the microcavities is optimized by using numerical simulations based on transfer matrix method with an internal emitter. For an AlN microcavity with AlN/AlGaN Bragg mirrors, we show that the collection efficiency could be theoretical increase by one order of magnitude, which is confirmed by our micro-photoluminescence experiments on single quantum dots. This observation opens the way for advanced studies such as photon correlations experiments in the UV range.The second part of our work is devoted to the realization of a micro-laser operating in the deep-UV range at room-temperature. By using thin GaN/AlN quantum wells (2.8 monolayers), grown on silicon substrate and embedded in AlN microdisks, we observe a laser emission at 275 nm under pulsed optical pumping. This demonstration shows the strong potentiality for future developments of nitride-on-silicon nano-photonics.

Afin de poursuivre la croissance imposée par la loi de Moore, les circuits numériques deviennent de plus en plus parallèles, avec un nombre important d’unités de calcul distinctes. L’utilisation de l’optique peut s’avérer intéressante pour leur assurer une bande passante élevée. Au contraire, les liens traditionnels (électriques) commencent à montrer leurs limites en terme de consommation par unité d’information échangée. Dans un tel contexte, il est alors nécessaire de développer des interconnexions optiques dont les procédés de fabrication restent compatibles avec le standard CMOS. Si le transport de la lumière est aisé à obtenir au voisinage de 1.55 μm avec le couple Silicium/Silice, l’obtention de sources LASER est nettement plus difficile puisque le silicium (gap indirect) ne permet pas de réaliser le gain optique requis. Une solution consiste alors à reporter par collage moléculaire des vignettes de composés à base de semi-conducteurs III-V.Dans cette thèse, nous nous intéresserons uniquement à une source bien particulière, basée sur les modes de galerie (WGM) dans les résonateurs à symétrie circulaire, de quelques micromètres de rayon. Nous verrons comment tirer profit des éléments a priori perturbateurs que sont les contacts électriques (absorbants) de sorte à diminuer le seuil LASER. La mise en place d’un modèle semianalytique permet d’obtenir un dimensionnement ultra-rapide de la source monolithique obtenue, en optimisant la géométrie et la position des électrodes de contact. La collection de la lumière dans un guide par couplage évanescent donne lieu à de complexes interactions. Là encore, une modélisation à partir de la théorie des modes couplés a permis d’en comprendre les rouages, et d’en tirer profit. Le guide lui-même peut alors servir à favoriser une seule et unique longueur d’onde d’émission. Avec des éléments actifs situés à proximité de ces guides, on peut même obtenir une source ultra-compacte et modulable dont on contrôle la longueur d’onde d’émission par un élément extérieur au LASER. La dernière partie de cette thèse fournit des résultats expérimentaux, obtenus avec une chaine "pilote" sur des wafers 200 mm (CEA LETI) en se limitant à des procédés CMOS. On démontre donc la faisabilité des sources proposées dans les chapitres précédents ainsi que la possibilité de les intégrer un lien optique complet (source, routage et détection). / To follow the evolution imposed by Moore’s law, digital circuits are becoming more and more parallelized with a large number of independent computational units. Optics may be used to provide them the necessary very high bandwidth, as traditional electrical links begin to suffer from their high consumption per transferred bit. In such cases, developing CMOS compatible optical interconnects can be necessary. If light transport around wavelength 1.55 μm is quite easily obtained thanks to the Silicon/Silica couple, obtaining laser sources is much more difficult because silicon (indirect gap) can not be used to provide optical gain. An alternate solution consists in using molecular bonding of III-V semiconductor based dies onto silicon wafers. In this thesis, we only focus on a very specific source based on Whispering Galery Modes (WGM) inresonators with circular symmetry, with a few micrometers radius. We will see how to take advantage of perturbative elements such as the electrical contacts (necessary absorbing) to decrease the lasing threshold. The use of a semi analytical model provides ultra fast design of these monolithic source, optimizing the the geometry and position of the contacting electrodes. Light collection in an optical waveguide by evanescent coupling to the source leads to complexinteractions. Modelling them from Coupled Mode Theory demonstrates how it works, and how to take advantage of them to control the lasing wavelength. The optical waveguide itself can then be used to promote a single wavelength emission. Laying out active elements around the collecting waveguide, one can get modulated and ultra-compact sources for wavelength tuning or mode hoping applications, with an external active control. The last part of this thesis provides experimental results obtained with a 200 mm pilot line at CEALETI, using CMOS compatible processes. Feasibility of the sources suggested in the previous chapters is demonstrated with their integration in a complete optical link (source, routing and detection).

Afin de poursuivre la croissance imposée par la loi de Moore, les circuits numériques deviennent de plus en plus parallèles, avec un nombre important d'unités de calcul distinctes. L'utilisation de l'optique peut s'avérer intéressante pour leur assurer une bande passante élevée. Au contraire, les liens traditionnels (électriques) commencent à montrer leurs limites en terme de consommation par unité d'information échangée. Dans un tel contexte, il est alors nécessaire de développer des interconnexions optiques dont les procédés de fabrication restent compatibles avec le standard CMOS. Si le transport de la lumière est aisé à obtenir au voisinage de 1.55 μm avec le couple Silicium/Silice, l'obtention de sources LASER est nettement plus difficile puisque le silicium (gap indirect) ne permet pas de réaliser le gain optique requis. Une solution consiste alors à reporter par collage moléculaire des vignettes de composés à base de semi-conducteurs III-V.Dans cette thèse, nous nous intéresserons uniquement à une source bien particulière, basée sur les modes de galerie (WGM) dans les résonateurs à symétrie circulaire, de quelques micromètres de rayon. Nous verrons comment tirer profit des éléments a priori perturbateurs que sont les contacts électriques (absorbants) de sorte à diminuer le seuil LASER. La mise en place d'un modèle semianalytique permet d'obtenir un dimensionnement ultra-rapide de la source monolithique obtenue, en optimisant la géométrie et la position des électrodes de contact. La collection de la lumière dans un guide par couplage évanescent donne lieu à de complexes interactions. Là encore, une modélisation à partir de la théorie des modes couplés a permis d'en comprendre les rouages, et d'en tirer profit. Le guide lui-même peut alors servir à favoriser une seule et unique longueur d'onde d'émission. Avec des éléments actifs situés à proximité de ces guides, on peut même obtenir une source ultra-compacte et modulable dont on contrôle la longueur d'onde d'émission par un élément extérieur au LASER. La dernière partie de cette thèse fournit des résultats expérimentaux, obtenus avec une chaine "pilote" sur des wafers 200 mm (CEA LETI) en se limitant à des procédés CMOS. On démontre donc la faisabilité des sources proposées dans les chapitres précédents ainsi que la possibilité de les intégrer un lien optique complet (source, routage et détection).

Les semi-conducteurs nitrures d'éléments III type GaN, AlN sont des matériaux extrêmement intéressants pour la photonique intégrée sur silicium. Ils sont transparents sur une gamme très étendue et possèdent des susceptibilités non linéaires non nulles, ce qui rend possible les expériences non linéaires d'ordre deux et d'ordre trois. Dans ce contexte, cette thèse a été consacrée à l'étude de circuits photoniques avec des micro-résonateurs tels que les cristaux photoniques et les microdisques en matériau GaN/AlN épitaxiés sur Si. Le dessin des microcavités et des procédés de fabrication ont été optimisés afin d’obtenir un mode résonant dans le proche infrarouge avec un facteur de qualité jusqu'à 34000 pour les cristaux photoniques et 80000 pour les microdisques. J’ai étudié sur ces circuits photoniques les propriétés de conversion harmonique telles que la génération de seconde harmonique (SHG) et la génération de troisième harmonique (THG). En utilisant les propriétés de la THG, en combinant simplement un objectif optique et une caméra CCD, j'ai effectué l'imagerie des modes de cristaux photoniques du proche infrarouge avec une résolution spatiale sub-longueur d'onde (300 nm). J'ai également effectué l'imagerie de SHG sur des microdisques avec une excitation optique en résonance avec un mode de galerie pour le laser pompe. La dernière partie porte sur l'étude de la SHG en accord de phase entre les modes TM-0-0-X et TM-0-2-2X en variant le diamètre du disque avec un pas extrêmement faible (8 nm). Cela a été effectué pour des modes résonants de facteurs de qualité autour de 10000. Ces résultats montrent le potentiel des semi-conducteurs de III-nitrures pour la réalisation de circuits optiques sur silicium à deux dimensions. / Nitride semiconductors are extremely interesting for integrated photonics on silicon. They have a large transparent window and dispose of non zero nonlinear susceptibilities which enable second and third order nonlinear experiments. In this context, this thesis has been devoted to integrated photonic circuits with microresonators such as photonic crystals and microdisks. The microcavity design and the fabrication process have been optimized in order to obtain a near infrared resonant mode with a quality factor up to 34000 for photonic crystals and 80000 for microdisks. I carried out harmonic conversion experiments such as second harmonic generation (SHG) and third harmonic generation (THG). With THG, by combining simply an optical objective and a CCD camera, I carried out near infrared photonic crystal modes imaging with a subwavelength spatial resolution (300 nm). I also did SHG imaging on microdisks with an optical excitation in resonance with the gallery mode for the pump laser. The last part of the work is dedicated to the demonstration of phase-matched SHG in microdisk photonic circuits between the TM-0-0-X and TM-0-2-2X modes by varying the microdisk diameter with a very small step (8 nm). These experiments have been done for resonant modes with quality factors around 10000.These demonstrations show the potential of III-nitride semiconductors for the realization of two dimensional optical circuits on silicon.

Les modes de galerie découverts par Lord Rayleigh en 1910 trouvent aujourd'hui des applications en optique intégrée sur silicium. Des cavités aux résonances extrêmes ont pu être intégrées sur silicium sur isolant (SOI) ou sur semi-conducteurs III-V. Ces composants permettent de réaliser des fonctions passives et actives pour la microélectronique, les télécommunications ou l'électrodynamique quantique en cavité. Avec ces nouvelles applications, de nouveaux composants faisant interagir le mode de galerie avec des éléments extérieurs comme un réseau de Bragg ou des guides optiques sont apparus. Les méthodes de modélisation de l'optique intégrée étant peu adaptées pour simuler ces cavités aux géométries particulières, nous avons développé deux modèles pour d´écrire ce type d'interaction. Le premier, basé sur le formalisme de Floquet-Bloch, permet de d'écrire des modes de galerie fortement perturbés par une modification géométrique de la cavité. Le second, basé sur une méthode de perturbation, permet de d´écrire des interactions de faible amplitude avec des objets extérieurs comme des guides optiques. Ces résultats ont été validés par une comparaison avec la méthode des différences finies en domaine temporel. Nos modèles ont ensuite été comparés aux réalisations expérimentales de fonctions passives sur SOI (filtres et démultiplexeurs) fabriquées au CEA-LETI, et de fonctions actives (Phosphure d'Indium et silice dopée Erbium) réalisées au LEOM ou au DRFMC. Nous avons ainsi pu caractériser des composants ayant des facteurs de qualité de 90 000.

Durant ma première année en tant que maître de conférences, j'ai travaillé dans le domaine des microondes où j'ai appris à utiliser la TLM [35]. Cet outil permet la modélisation de la propagation de signaux électromagnétiques en 3D. Ayant fait auparavant une thèse dans le domaine de l'optique intégrée, j'ai naturellement changé d'équipe en travaillant sur la thématique de la photonique en 2000 en collaborant étroitement avec Pierre Benech. Alors que les outils commerciaux de FDTD n'étaient pas encore très développés, j'ai commencé mes recherches en appliquant la TLM sur des structures semi-conductrices tel que des réseaux de Bragg dans des guides réfractifs [36]. Il a été notamment mis en avant les problèmes de profondeur de gravure et d'adaptation de modes entre celui du réseau et celui du guide d'onde. Je me suis ensuite investi sur la modélisation de guides à cristaux photoniques. J'ai participé à des collaborations pour étudier notamment les pertes radiatives d'un guide à cristal photonique 2D sur membrane en mettant en avant que sous certaines conditions ces pertes pouvaient être faibles [38]. Suite à ce travail, j'ai participé à deux projets RMNT et ACI pour la modélisation de microdisques ainsi qu'à leur couplage avec un guide adjacent soit pour une application laser ou une application de dé/multiplexeur. Je me suis donc intéressé à ces structures cylindriques du type microdisque, microanneau ou microtore. Il a été notamment proposé une nouvelle structure de microdisque dentelé dit "microgear" simulée avec une méthode basée sur une décomposition de Fourier plus rapide et rigoureuse. Ces structures présentent de bons facteurs de qualité avec pour certaines des volumes de modes optiques faibles, compatibles avec une intégration planaire. Généralement ces structures suivent une certaine forme de symétrie. Les microdisques et les microanneaux peuvent ainsi être représentés avec des coordonnées cylindriques. Dans ce type de repère, il est alors possible dans un premier temps d'utiliser des fonctions de Bessel pour représenter les modes résonants qui parcourent ces structures. De nombreux calculs en 2D sont alors possibles pour décrire la propagation de ces modes ou leur interaction avec un guide par exemple. Les modes de galerie des sphères peuvent être décrits par des fonctions de Bessel sphériques. Dans ce cas, la description se fait complètement en 3D sans recours à des outils numériques spécifiques. Néanmoins, pour modéliser ces objets en 3D avec la possibilité de les compléxifier ou de briser leur symétrie, il est important d'utiliser un outil 3D numérique adapté. Je me suis intéressé alors à des méthodes modales. Celles-ci permettent en effet d'avoir plus d'informations sur les phénomènes physiques mis en jeu. J'ai notamment porté mon choix sur des méthodes donnant accès à une décomposition en modes propres par l'intermédiaire d'une décomposition en série de Fourier la RCWA pour Rigorous Couple Wave Analysis. Initialement, elle fut plutôt utilisé pour étudier des structures périodiques notamment des réseaux de Bragg [49, 48, 47]. Mais maintenant, cette méthode peut être aussi appliquée sur des structures apériodiques comme des guides intégrés [46]. Au vu des potentialités de la méthode, j'ai décidé de m'approprier cet outil dans le même type de système de coordonnées en 2D. Je me suis tout particulièrement intéressé à l'interaction d'un mode guidé faiblement confiné avec un nanobjet métallique. Cet exemple montre tout l'intérêt de cette méthode capable de simuler des objets avec un indice de réfraction complexe et une taille largement inférieure à la taille du mode d'excitation. J'ai ensuite proposé un nouveau type de développement de cette méthode pour décrire des modes respectant une symétrie cylindrique. Une première solution consiste à utiliser une transformation conforme de la structure pour retrouver les propriétés de l'AFMM en coordonnées cartésiennes. Puis une nouvelle solution en cours de développement est actuellement étudiée pour modéliser directement la structure dans un repère cylindrique. Cette nouvelle description a débouché sur une description 3D de la méthode permettant de modéliser des guides courbes. Une autre méthode légèrement différente a été aussi proposée calculant uniquement des modes résonants dans des structures 3D à symétrie cylindrique. En fixant l'évolution azimutale du mode, on peut aussi utiliser une variante de la méthode précédente 2D en périodisant la structure selon un axe perpendiculaire aux axes radial et azimutal. Ce travail est issu d'une collaboration entre l'INP et l'université de Ferrara. Il a été montré qu'avec cette méthode, il était possible de simuler des microdisques ou des microanneaux. Il a été aussi montré qu'avec l'ajout d'une fente d'un indice de réfraction plus faible, il était possible d'avoir des volumes de modes plus faibles en utilisant la propriété de confinement des guides à fentes. Ces différents développements ont aussi été appliqués sur des systèmes photoniques réalisés en optique intégrée sur verre. Je me suis notamment investi dans le développement de spectromètres optiques de Fourier intégrés. J'ai participé pour cela à des projets CNES et FUI pour modéliser le spectromètre SWIFTS (Stationnary Waves Interferometer Fourier Transform Spectrometer). Ce nouveau système dont la puce en verre est d'une taille d'une allumette couplée à une barrette de photodétecteurs linéaires permet d'atteindre des résolutions spectrales de 10pm sur une bande spectrale allant de 700nm à 1000nm. Une brique de base de son fonctionnement est notamment l'interaction du mode guidé avec des nanoplots métalliques. Un autre type de spectromètre moins complexe a été aussi mis en œuvre pour étudier des spectres dans le proche infra-rouge avec des résolutions spectrales de l'ordre du nanomètre. Ce système nommé LLIFTS (Leaky Loop Interferometer Fourier Transform Spectrometer) est constitué notamment de guides courbes couplés à un guide plan. La méthode AFMM cylindrique nous permet donc de simuler directement ce type de structure. Je dirige notamment un projet ANR pour utiliser ce type de composant dans un système OCT.