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Atteindre le régime de couplage fort entre des nanocavités et des systèmes atomiques est un élément clé dans l'information quantique. Durant ma thèse, j'ai designé et fabriqué des nanocavités à cristal photonique en GaInP pour le couplage fort autour de 800 nm, longueur d'onde typique des atomes du Rubidium (780 nm) et de Césium (852 nm), les plus utilisés dans le domaine, ainsi que de l'Argon (811 nm). L'objectif est de faire interagir ces atomes avec la partie évanescente du mode fondamental de la nanocavité. Pour cela, un facteur de qualité de l'ordre de 8.10^4 et un volume modal inférieur à 0,04 µm^3 est nécessaire.La nanocavité est l'élément clé d'une plateforme nanophotonique. Nos plateformes sont composées d'une nanocavité à cristal photonique résonant autour de 800 nm, d'un réseau-coupleur pour collecter la lumière issue d'une fibre optique et vice versa et de guides d'alimentation pour transporter la lumière du réseau-coupleur à la nanocavité. Plusieurs défis technologiques ont émergé. La nanocavité doit avoir un fort facteur de qualité et un faible volume modal, le réseau-coupleur doit collecter le maximum de lumière issue de la fibre, les guides d'alimentation doivent transporter la lumière sans perte et, enfin, un mécanisme pour coupler la lumière des guides d'alimentation dans la nanocavité devait être trouvé.J'ai simulé, designé, fabriqué et caractérisé les éléments de ma structure. J'ai obtenu des facteurs de qualité supérieurs à 10^7 en théorie, et de l'ordre de 2.10^4 expérimentalement, détenant ainsi le record pour les cavités en GaInP autour de la longueur d'onde de 800 nm pavant la voie à la réalisation des expériences de couplage fort. / Reaching the strong coupling between nanocavities and atomic systems is a key element for Quantum Information. During my PhD, I designed and fabricated photonic crystal nanocavities in Gallium Indium Phosphide (GaInP)for strong coupling around 800,nm, typical wavelength of atoms such as Rubidium (780,nm), Cesium (852 nm), the most used in this domain, and the Argon atoms (811 nm).The aim of my PhD thesis is to provide with a nanophotonic platform dedicated to strong coupling interaction. For this, nanocavities having optical resonances arounf 800 nm, with quality factors larger than 8.10^4 and mode volumes smaller than 0.04µm^3 are necessary.The nanocavity is a key element of nanophotonic plateform. Our platforms are composed of a photonic crystal nanocavityitself, a grating-coupler in order to collect light from a optic fiber and vice versa and feeding waveguides in order to transport the light from the grating-coupler to the cavity. An efficient nanophtonic platfom for a reaslitic implementation should have a nanocavity with a large Q-factor and small mode volume. The grating-coupler must efficiently collect the light from the optical fiber, and the feeding waveguides must transport the light without losses.I simulated, designed,fabricated and caracterized the elements of my structure. I obtained quality factors larger than 10^7 in theory, and about 2.10^4 experimentally, getting the record for the nanocavities in GaInP around the wavelength 800 nm, which make them close to realize experiments of strong coupling.

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié des effets d'optique non-linéaire d'ordre trois dans les cavités à cristaux photoniques en silicium. Le premier d'entre eux est un phénomène d'auto-oscillations à haute fréquence (GHz) dans ces cavités, qui a pour origine une modulation de la transmission de la cavité due à l'interaction entre la dispersion due aux porteurs libres et l’absorption à deux photons. Nous avons observé ces auto-oscillations, pour la première fois, dans les nanocavités à cristaux photoniques silicium avec une fréquence de l’ordre de 3 GHz et une grande pureté spectrale. Nous avons développé un modèle pour analyser les mécanismes qui régissent l'apparition de ces auto-oscillations, ainsi que les amplitudes des fréquences fondamentale et harmoniques de ces oscillations. Ce phénomène d'auto-oscillations permettrait de réaliser des sources micro-ondes en silicium très compactes. Le deuxième phénomène étudié est celui de la diffusion Raman, qui est le seul moyen d'obtenir des lasers entièrement en silicium démontré jusqu'à présent. Cette diffusion Raman a été mesurée tout d'abord dans des guides d'onde à cristaux photoniques étroits (W0.63) de longueur 100 microns, où nous avons pu obtenir un nombre de photons Stokes allant jusqu'à 9, montrant ainsi que la diffusion Raman stimulée prédominait dans ces guides d'onde, bien que nous n’ayons pas pu y obtenir un effet laser Raman franc. Nous avons ensuite mesuré la diffusion Raman dans des nanocavités doublement résonantes conçues spécifiquement à partir de ces guides d'ondes pour optimiser l'effet Raman, avec des facteurs de qualités allant jusqu'à 235000 pour la résonance Stokes. Bien que nous n'ayons pu mesurer que de la diffusion Raman spontanée dans ces cavités, avec un facteur de Purcell de 2.9, l'étude théorique que nous avons effectuée sur les lasers Raman, et qui s'accorde parfaitement avec les résultats expérimentaux, montre qu’il serait possible d'obtenir un laser Raman dans ces cavités avec un seuil en dessous du milliwatt à condition de diminuer ces pertes dues à l'absorption par porteurs libres. Ceci pourrait être accompli en diminuant le temps de vie des porteurs libres, par exemple en les retirant du silicium à l’aide d’une jonction MSM. / In this thesis, we studied third order nonlinear optical effects in photonic crystal cavities. The first of those effects is is the phenomenon of high frequency (GHz) self-pulsing in these cavities, which originates from a modulation of the transmission of the cavity due to the interaction between the free-carrier dispersion and the two-photon absorption. We have observed these self-induced oscillations for the first time in silicon photonic crystal nanocavities, with a frequency of about 3 GHz and a high spectral purity. We have developed a model to analyze the mechanisms that govern the onset of these oscillations, as well as the amplitudes of the fundamental and harmonic frequencies of these oscillations. This self-pulsing phenomenon would allow us to realize realize ultra-compact microwave sources made of silicon. The second phenomenon studied is that of Raman scattering, which is the only way to obtain lasers fully in silicon demonstrated so far. The Raman scattering was measured first in narrow photonic crystals waveguides (W0.63) of length 100 microns, where we could obtain a number of Stokes photons up to 9, showing that the stimulated Raman scattering predominated in these waveguides, although we have not been able to obtain a true Raman laser effect in them. We then measured the Raman scattering in doubly resonant nanocavities specifically designed from these waveguides to optimize the Raman effect, with quality factors up to 235000 for the Stokes resonance. Although we could only measure spontaneous Raman scattering in these cavities, with a Purcell factor of 2.9, the theoretical study that we conducted on the Raman lasers, which agrees perfectly with the experimental results, shows that it would be possible to obtain a Raman laser in these cavities with a threshold below the milliwatt, provided we reduce the losses due to the free-carrier absorption. This could be accomplished by decreasing the free-carrier lifetime, for example by removing the free carriers from the silicon using a MSM junction.

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié des effets d'optique non-linéaire d'ordre trois dans les cavités à cristaux photoniques en silicium. Le premier d'entre eux est un phénomène d'auto-oscillations à haute fréquence (GHz) dans ces cavités, qui a pour origine une modulation de la transmission de la cavité due à l'interaction entre la dispersion due aux porteurs libres et l'absorption à deux photons. Nous avons observé ces auto-oscillations, pour la première fois, dans les nanocavités à cristaux photoniques silicium avec une fréquence de l'ordre de 3 GHz et une grande pureté spectrale. Nous avons développé un modèle pour analyser les mécanismes qui régissent l'apparition de ces auto-oscillations, ainsi que les amplitudes des fréquences fondamentale et harmoniques de ces oscillations. Ce phénomène d'auto-oscillations permettrait de réaliser des sources micro-ondes en silicium très compactes. Le deuxième phénomène étudié est celui de la diffusion Raman, qui est le seul moyen d'obtenir des lasers entièrement en silicium démontré jusqu'à présent. Cette diffusion Raman a été mesurée tout d'abord dans des guides d'onde à cristaux photoniques étroits (W0.63) de longueur 100 microns, où nous avons pu obtenir un nombre de photons Stokes allant jusqu'à 9, montrant ainsi que la diffusion Raman stimulée prédominait dans ces guides d'onde, bien que nous n'ayons pas pu y obtenir un effet laser Raman franc. Nous avons ensuite mesuré la diffusion Raman dans des nanocavités doublement résonantes conçues spécifiquement à partir de ces guides d'ondes pour optimiser l'effet Raman, avec des facteurs de qualités allant jusqu'à 235000 pour la résonance Stokes. Bien que nous n'ayons pu mesurer que de la diffusion Raman spontanée dans ces cavités, avec un facteur de Purcell de 2.9, l'étude théorique que nous avons effectuée sur les lasers Raman, et qui s'accorde parfaitement avec les résultats expérimentaux, montre qu'il serait possible d'obtenir un laser Raman dans ces cavités avec un seuil en dessous du milliwatt à condition de diminuer ces pertes dues à l'absorption par porteurs libres. Ceci pourrait être accompli en diminuant le temps de vie des porteurs libres, par exemple en les retirant du silicium à l'aide d'une jonction MSM.

L’irradiation des matériaux par des impulsions laser ultrabrèves déclenche un agencement anisotrope de la matière à l’échelle nanométrique: des structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS). L'énergie laser déposée et distribuée de manière inhomogène dans le matériau induit des contraintes thermiques locales et des changements de phase transitoires entraînant ainsi des modifications microstructurales. Cette thèse porte sur le rôle de l'altération de la surface irradiée ainsi que les modifications microstructurales en profondeur dans la contribution à la formation des LIPSS, en établissant une corrélation entre l'auto-organisation de la matière et la génération de défauts en tenant en compte de l'orientation cristalline. Comme les LIPSS sont générés au seuil de transition de phase, l’étude de la corrélation avec les défauts induits est alors pertinente. Une étude expérimentale couplée à des simulations de dynamique moléculaire effectuées à l’Université de Virginie suggère que l'altération de surface générée par une irradiation d'échantillons monocristallins de Chrome dans le régime de spallation est susceptible de jouer un rôle majeur dans le déclenchement de génération de LIPSS de haute fréquence spatiale. La microscopie à force atomique ainsi que les résultats de simulations attestent que les caractéristiques de rugosité de surface à l'échelle nanométrique dépendent de l'orientation cristalline. La forte rugosité de surface générée par la première impulsion laser active la diffusion de la lumière laser et l’exaltation du champ local lors des irradiations ultérieures, ce qui génère des structures LIPSS de haute fréquence plus prononcés du côté (100) que celle du (110). Une étude expérimentale approfondie, utilisant la microscopie électronique rétrodiffusés et transmission, a révélé que le Cr (110) est plus susceptible d'être endommagé que les autres orientations cristallines de surface. On constate que les défauts induits par le laser peuvent altérer la topographie de surface et la région sous-jacente, ce qui peut avoir un impact sur les caractéristiques des centres de rugosité favorisant la formation de structures de fréquence spatiale élevée. Afin d’accéder à la transition de phase subie dans la région de formation des LIPSS, une approche d'analyse microstructurale à haute résolution couplée à des calculs hydrodynamiques est utilisée, comprenant la croissance épitaxiale et la nanocavitation. La formation de structures de fréquence spatiale élevée est le résultat de nanocavités périodiques piégés sous la surface, ainsi que des nanocavités apparues à la surface des matériaux cubiques faces centrées.De plus, étant donné que le feedback dans la formation des LIPSS est souvent évoquée, le comportement dynamique des surfaces a été sondé par microscopie électronique à photoémission et étayé par des calculs électromagnétiques. Un caractère périodique des photoélectrons émis par les creux des LIPSS a été mis en évidence, ce qui a permis de vérifier la modulation du dépôt d'énergie.Le travail effectué contribue non seulement à progresser vers l'objectif général d’élucider le phénomène complexe multi-échelles de la formation des LIPSS, mais ouvre une nouvelle voie expérimentale pour générer des structures non conventionnelles avec des périodicités extrêmes (~60nm), offrant ainsi de nouvelles opportunités pour le traitement laser ultrarapide des métaux. / Irradiation of materials by ultrashort laser pulses triggers anisotropically structured arrangement of matter on the nanoscale, the so-called laser-induced periodic surface structures (LIPSS), or ‘ripples’. Ultrashort laser energy deposited and distributed inhomogeneously in the material launches local thermal stresses and transient phase changes yielding microstructural modifications. This thesis focuses on the role of irradiated surface alteration as well as in-depth microstructural modifications in promoting LIPSS formation, by establishing a correlation between self-organization of matter and defect generation taking into account crystalline orientation. Since LIPSS are generated at the threshold of phase transition, then the correlation with defects formation is relevant. An experimental study coupled with molecular dynamic MD simulations performed in the University of Virginia suggest that surface alteration generated by a single pulse irradiation of monocrystalline Cr samples in the spallation regime is likely to play a main role in triggering high-spatial frequency LIPSS generation upon irradiation by multiple laser pulses. Atomic force microscopy as well as computational results suggested that the nanoscale surface features are crystalline orientation dependent. The higher surface roughness generated by the first laser pulse activates scattering of the laser light and the local field enhancement upon irradiation by the second laser pulse, leading to the formation of much more pronounced high-spatial frequency structures on the (100) surface as compared to (110) one. An extended in-depth experimental study, using electron backscattered and transmission microscopy, combined with large-scale two-temperature model TTM-MD simulations revealed that Cr (110) is more likely to get damaged. It is found that laser-induced defects can alter the surface topography and the region beneath it which can impact in turn the roughness center features promoting high-spatial frequency structures formation. In order to infer the phase transition undergone in the LIPSS region, a high resolution microstructural analysis approach coupled with hydrodynamic calculations is employed, including epitaxial regrowth and nanocavitation. High-spatial frequency structures formation is found to be the result of periodic nanovoids trapped beneath the surface as well as nanocavities emerged at the surface on fcc materials. Furthermore, since optical feedback in LIPSS is often evoked, the behavior of dynamical surfaces was probed by photoemission electron microscopy and supported by electromagnetic calculations. A periodic character of photoelectrons emitted from nanoholes was unveiled, which in turn verified a modulated energy deposition. The performed work not only contributes to the progress towards the general goal of untangling the complex multiscale phenomenon of the LIPSS formation, but unlocks a new experimental setup to generate unconventional structures with extreme periodicities (~60 nm), which offers new opportunities in ultrafast laser processing of metals.