Recently, it was found that the strongly temperature-dependent spin dephasing time of bound electrons in the organic molecule tris(8-hydroxyquinoline aluminum), or Alq3, increases when a few of these molecules are confined within 1-2 nm sized nanocavities in porous alumina. What causes this increase is not well understood, but one possibility is that the rotational/vibrational modes of the molecule are altered inside a nanocavity, leading to suppression of spin coupling with these modes and a concomitant increase in the spin dephasing time. To test this possibility, we have carried out mid-infrared spectroscopy of few molecule clusters confined within 1-2 nm sized nanocavities. Their spectrum is considerably different from that of bulk powders of molecules, indicating that at least some vibrational modes (in the mid infrared range) have been altered. This may be a possible cause for weakening of spin-environment coupling inside a nanocavity, resulting in an increase in the spin dephasing time.

Bose-Einstein Condensation is a macroscopic occupation of bosons in the lowest energy state. For atoms, extremely low temperatures are required to observe this phenomenon. For photons, condensation has been demonstrated at room temperature, requiring a large number of particles (N ∼ 77000) and very complicated setup. Here we study the possibility of observing BEC of light at room temperature with a much lower number of particles by leveraging disorder in a dielectric material. There is no constraint in the number of photons in the system like in the previous research. We investigate what happens to photons once they are put inside a cavity with a disorder. The analysis is carried out by using time-dependent quantum Langevin equations, complemented by a thermodynamic analysis on quantum photons. Both approaches give the same expression for the critical temperature of condensation. We demonstrate that photons in a disordered cavity with arbitrary initial statistical distribution reach thermal equilibrium and undergo a Bose-Einstein Condensation if the temperature is sufficiently reduced. In our model we demonstrate that the temperature is related to the losses of the system. At this state, photons follow Boltzmann distribution. It is demonstrated that by only varying the strength of disorder, it is possible to change the critical temperature of the phase transition, thus making condensation possible at room temperature. This work opens up the possibility to create new types of light condensate by using disorder.

Plasmonics have attracted significant attention from the scientific community for photoelectrode technologies since they offer tunability, large light absorption cross-sections, transparency and potential scalability. On the downside, plasmonics exhibit large absorption cross sections in a narrow window compared to the total electromagnetic spectrum, leading to relatively small efficiencies. It has been already demonstrated, that coupling plasmonics with a Fabry Pérot nanocavity can significantly enhance the absorption of light in photoelectrode systems. Traditionally Fabry Pérot nanocavities are fabricated through clean room processes hindering their scalability. In this project, we report the successful enhancement of light absorption in a plasmonic photoelectrode system via a Fabry Pérot nanocavity that has been produced via solution methods. Furthermore, we report significant evidence of enhancement in the electrochemical properties of the system fabricated.

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Les nanocavités à cristal photonique ont été largement étudiées au cours de la dernière décennie du fait de leur aptitude à fortement confiner la lumière (faible volume modal) et de leurs faibles pertes optiques (grand facteur de qualité). Parmi le grand nombre de géométries proposées, nous nous intéressons ici au cas de la cavité L3 étudiée par Noda et al. (trois trous manquants dans la direction K du réseau triangulaire sous-jacent) utilisée dans plusieurs applications et notamment pour la réalisation de nano-lasers et d’interrupteurs optiques. Cependant, l’injection ou l’extraction de lumière dans de telles nanocavités s’avère extrêmement difficile du fait de la diffraction importante dont souffrent ces structures. Différentes approches en champ proche ont été récemment développées et notamment le couplage évanescent utilisant des guides d’onde nanostructurés ou des fibres optiques étirées. Dans le but de pallier à la faible efficacité de couplage à l’espace libre, nous développons une conception récemment proposée par De Rossi et al. afin de changer radicalement le profil du diagramme de rayonnement. Cette approche utilise la méthode de repliement des bandes qui consiste à introduire au sein d’un réseau triangulaire de période (a), un sous-réseau de trous de période (2a) qui améliore considérablement l’efficacité de couplage dans la direction verticale. Bien que certaines mesures de l’efficacité de collection et du coefficient de qualité aient déjà été mentionnées dans la littérature, aucune mesure directe des diagrammes de rayonnement de ces nanocavités n’a été réalisée jusqu’alors. Nous étudions dans ce travail différents types de nanocavités et de molécules L3 à cristaux photoniques présentant des profils de champ lointain optimisés. Les diagrammes de rayonnement de cavités non-repliées et repliées incorporées dans des membranes actives suspendues en InP sont systématiquement mesurés et comparés. Un bon accord entre les simulations numériques et les diagrammes de champ lointain mesurés expérimentalement est obtenu, montrant des lobes d’émission très directionnels le long de la normale à l’échantillon. En outre, des expériences de couplage à l’espace libre ont été réalisées montrant des efficacités de couplage d’environ 15% pour des coefficients de qualité supérieurs à 10 000. Ces résultats valident ainsi la technique de repliement des bandes dans les cavités L3 qui, une fois repliées, conservent un faible volume modal et un coefficient de qualité élevé ainsi qu’une grande efficacité de couplage à l’espace libre, à la fois dans les configurations nanocavité unique et nanocavités couplés. Nous montrons aussi expérimentalement que l’écart spectral inter-modal dans deux cavités L3 couplées de manière évanescente peut être contrôlé grâce à l’ingénierie de la barrière photonique. La « barrière de potentiel » est formée par les trous d’air séparant les deux cavités. L’écart en fréquence entre les modes peut être fortement réduit et augmentée via une diminution ou une augmentation du rayon des trous de la rangée centrale de la barrière jusqu’à ∼ −30% ou ∼ 30% de sa valeur initiale. En outre, le signe de la l’écart spectral entre les modes peut être inversé de telle sorte que le mode fondamental peut être soit symétrique ou anti-symétrique et ce, sans modifier ni la géométrie de la cavité, ni la distance inter-cavité. / Photonic crystal (PhC) nanocavities have been intensively investigated during the last decade due to their capabilities of achieving tight light confinement and low optical losses simultaneously. Among the different geometries, the cavity proposed by Noda et al., namely a L3 cavity (three holes missing in the K direction of the underlying triangular lattice) with shifted end-holes has been widely used in several applications including laser emission and switching devices. However, input/output free space light coupling of such nanocavities is quite challenging. In this regard, near field coupling schemes have been recently developed, such as evanescent coupling using tapered optical fibers. In order to overcome the poor free space coupling, a new cavity design has been recently proposed by De Rossi et al. that totally changes the radiation pattern. This is based on a band folding approach introducing a modulation of the holes size at twice the period of the underlying PhC, which considerably increases the coupling efficiency in the vertical direction. While some measurements of the Q-factor and coupling efficiency were performed, no direct characterization of the far-field of such cavities has been performed so far. In this work we have studied different types of L3 photonic crystal cavities and L3 photonic molecules with optimized far-field profiles. Radiation patterns from « folded » and « unfolded » cavities incorporated in suspended InP active membranes were systematically measured and compared. Good agreement between simulations and experimental far-field patterns has been found, demonstrating highly directional emission lobes along the sample normal. Furthermore, free space input coupling experiments have been performed showing coupling efficiency of about 15% of contrast with quality factors exceeding 10 000. These results validate the « folded » L3 cavities as good candidates for small volume and high Q cavities with efficient free space coupling, either in single or coupled cavity configurations. We also experimentally show that the mode splitting in two-evanescently coupled Photonic Crystal L3 cavities can be controlled through photonic barrier engineering. The « potential barrier » is formed by the air-holes in between the two cavities. By changing the hole radius of the central row in the barrier up to ∼ 30% or down to ∼ −30% , the frequency splitting can be strongly increased or reduced. Moreover, the sign of the splitting can be reversed in such a way that the fundamental mode can be either the symmetric or the anti-symmetric one without altering neither the cavity geometry nor the inter-cavity distance.

Les nanocavités optiques sur puces sont devenues aujourd'hui des objets de base pour le piégeage et la manipulation d'objets colloïdaux. Nous étudions dans cette thèse des nanocavités comme briques de bases du piégeage et de la manipulation par forces optiques. La preuve de concept du piégeage de microsphères diélectriques apparaît comme le point de départ de l'élaboration d'un laboratoire sur puce. Dans le premier chapitre nous parcourons la bibliographie de l'utilisation des forces optiques en espace libre et en milieu confiné pour le piégeage de particules. Le second chapitre présente les dispositifs expérimentaux pour la caractérisation des nanocavités et les outils mis en place pour les mesures optiques en présence de particules colloïdales. Le troisième chapitre explique la preuve de concept du piégeage de particules de polystyrène de 500 nm, 1 et 2 µm. Dans le chapitre qui suit nous analysons le piégeage de particules en fonction de la puissance injectée dans la cavité. Le chapitre cinq décrit quelques exemples des possibilités de fonctions de manipulation de particules grâce à des cavités couplées. Enfin, dans le dernier chapitre nous montrons les assemblages de particules sur les différents types de cavités étudiées dans cette thèse. / On chips optical nanocavities have become useful tools for trapping and manipulation of colloidal objects. In this thesis we study the nanocavities as building blocks for optical forces, trapping and handling of particles. Proof of concept of trapping dielectric microspheres appears as the starting point of the development of lab on chip. In the first chapter we go through the literature of optical forces in free space and integrated optics. The second chapter presents the experimental tools for the characterization of nanocavities and the set-up developed to perform optical measurements with the colloidal particles. The third chapter describes the proof-of-concept trapping of polystyrene particles of 500 nm, 1 and 2 µm. In the following chapter we analyze the particle trapping as function of the injected power into the cavities. The chapter five gives some examples of the possibilities of particles handling functions with coupled cavities. Eventually, in the last chapter we show assemblies of particles on different geometry of cavities studied in this thesis.

Ces travaux de thèse sont consacrés à l'étude expérimentale de fonctions de traitement optique de signaux, multiplexés en longueur (WDM) ou en temps (OTDM), à base de composants à cristaux photoniques (CPh) en matériaux semi-conducteurs III-V réalisés dans le cadre du projet européen Copernicus. Les propriétés dispersives singulières qu'il est possible d'obtenir dans ces structures ont été étudiées au travers d'effets non linéaires améliorés dans le régime de lumière lente. Ainsi, une étude sur le mélange à quatre ondes a été réalisée avec des applications de conversion de longueur d'onde à haut débit et de démultiplexage temporel. Par ailleurs, de la génération de seconde harmonique a été démontrée avec une efficacité record pour ce type de structure, et appliquée au monitoring de signaux télécoms à 42,5 Gbit/s. Des nanocavités CPh ont été utilisées en tant que filtres extracteurs de longueurs d'onde pour démontrer le démultiplexage d'un signal WDM à 100 Gbit/s. Par la suite, nous avons travaillé sur une plate-forme photonique hybride. L'intégration hétérogène de nanocavités CPh en semi-conducteurs III-V sur des guides silicium nous a permis de réaliser de la commutation optique très rapide appliquée à des fonctions de conversion de longueur d'onde jusqu'à 20 Gbit/s et de limiteur de puissance à 10 Gbit/s. Tous ces résultats sont très prometteurs pour l'intégration photonique avec la micro-électronique et la technologie CMOS. Par le biais de ces travaux, nous montrons que les cristaux photoniques, de par leurs propriétés de confinement et de ralentissement de la lumière, sont des structures particulièrement intéressantes pour la réalisation de fonctions de traitement du signal sur porteuse optique. / This thesis is devoted to the experimental study of optical processing functions, of wavelength multiplexed (WDM) or time multiplexed (OTDM) signals, based on III-V semiconductors photonic crystals (PhC) devices produced in the European project Copernicus. The unique dispersive properties that is possible to obtain in such a structure were studied through nonlinear effects enhanced in slow light regime. Thus, a study of four-wave mixing was performed with high bit rate wavelength conversion and time demultiplexing applications. Moreover, second harmonic generation has been demonstrated with record efficiency for such a structure, and applied to 42.5 Gbit/s telecom signals monitoring. PhC nanocavities were used as wavelength drop filter to demonstrate 100 Gbit/s WDM signal demultiplexing. Thereafter, we worked on hybrid photonic platform. The heterogeneous integration of III-V PhC nanocavity on silicon waveguide allowed us to perform very fast optical switching, applied to wavelength conversion up to 20 Gbit/s and power limiting function at 10 Gbit/s. All of these results are very promising for future photonic integration with micro-electronics and CMOS technology. Through this work, we show that PhC, owing to their confinement and slow light properties, are structures particularly interesting to perform optical processing functions.