La lumière est incroyable polyvalente pour mesurer toutes sortes de grandeurs physiques : température, champ électrique, déplacement et déformation, etc. Les capteurs photoniques sont des candidats prometteurs pour les développements de nouvelles générations de capteurs en raison de leurs vertus de sensibilité élevée, une grande gamme dynamique, etc. Les capteurs intégrés et ceux placés en bout de fibre sur une couche mince de niobate de lithium seront ici étudiés en explorant l’électro-optique ainsi que les pyro-électronique afin de concevoir des capteurs de champs et de capteurs de température. / Light is incredibly versatile for measuring all kinds of physical quantities :temperature, electric field (E-field), displacement and strain etc. Photonic sensors are promising candidates for the new generation of sensors developments due to their virtues of high sensitivity, large dynamic range and compact size etc. Integrated and on-fiber end photonic sensors on thin film lithium niobate (TFLN) exploring the electro-optic (EO) and pyro-electric effects are studied in this thesis in order to design E-field sensors and temperature sensors (T-sensors). These studies aim to develop sensors with high sensitivity and compact size. To achieve that aim, sensors that are made of photonic crystals (PhC) cavities are studied by sensing the measurand through the resonance wavelength interrogation method. In integrated sensor studies, intensive numerical calculations by PWE method, mode solving technique and FDTD methods are carried out for the design of high light confinement waveguiding structures on TFLN and suitable PhC configurations. Four types of waveguide (WG) structures (ridge WG, strip loaded WG, slot WG and double slot WG) are studied with a large range of geometrical parameters. Among them, slot WG yields the highest confinement factor while strip loaded WG is an easier option for realizations. Bragg grating is designed in slot WG with an ultra compact size (about 0.5µm×0.7µm ×6µm) and is employed to design PhC cavity. A moderate resonance Q of about 300 in F-P like cavity where the mirrors are made of PhC is achieved with ER of about 70% of the transmission. Theoretical minimum E-field sensitivity of this slot Bragg grating structure can be as low as 200 µV/m. On the other hand, Si3N4 strip loaded WG is designed with 2D PhC structure and a low resonance Q of about 100 is achieved. Fabrications of nano-metrical WG such as ridge WG Si3N4 strip loaded are demonstrated. However, the realization of nanometric components on LN presents a big challenge.In the on-fiber end sensor studies, guided resonance, oftentimes referred to as Fano resonance due to its asymmetric lineshape, is studied with different PhC lattice types. A Suzuki phase lattice (SPL) PhC presenting a Fano resonance at the vicinity of 1500 nm has been studied and demonstrated as temperature sensor with sensitivity of 0.77 nm/oC with a size of only 25 µm × 24 µm. In addition, guided resonances on rectangular lattice PhC have been systematically studied through band diagram calculations, 2D-FDTD and 3D- FDTD simulations.

Cette thèse de doctorat a pour but de fabriquer des systèmes électro-optiques compacts en utilisant les propriétés des cristaux photoniques (CP).). Le niobate de lithium (LiNbO3) est très attractif pour les applications optiques (télécommunications optiques, biomédical, astrophysique) car il a de faibles pertes en propagation (0.1 dB/cm ou moins), une faible dispersion en longueur d’onde, une large bande de transparence (350-5000 nm), et des forts coefficients Electro-optiques, non-linéaires et acousto-optiques. Cependant, les composants optiques utilisant ce matériau présentent classiquement un encombrement supérieur au centimètre, ce qui est dommageable pour leur intégration dans des circuits optiques compacts. Nous cherchons à démontrer plus précisément la faisabilité de modulateurs électro-optiques ultra-compacts tout en gardant les performances des modulateurs de type Mach-Zehnder, telles que de faibles pertes d'insertion, une faible tension de commande et un fort taux d'extinction. Nous proposons de remplir ces objectifs par l'usinage de cristaux photoniques à haut facteur de forme sur des guides LiNbO3, en associant découpe à la scie circulaire de précision et gravure par faisceau d'ion focalisé. La configuration s’appuie d’une part sur une tranche fine (ridge) de LiNbO3 qui confine la lumière transversalement, et d’autre part sur l'usinage du CP à haut facteur de forme pour favoriser une forte sensibilité à la présence de champs électriques externes sur des longueurs actives de l'ordre du micromètre. Les hauts facteurs de forme seront obtenus en usinant les ridges sur leur sommet et sur leurs flancs. Un premier enjeu, technologique, est destiné à optimiser les technologies développées à l’institut FEMTO-ST en vue d’applications à l’optique intégrée. Le deuxième enjeu, scientifique, s’agit de mettre en oeuvre une nouvelle configuration de contrôle de la lumière à l’aide d’un cristal photonique, présentant un double usinage sur les flancs et le sommet. C'est la première démonstration expérimentale de nanostructures LiNbO3 à haut facteur de forme. / The main goal of this PhD thesis is to fabricate compact electro-optical devices in exploiting the properties of photoniccrystal (PhC). Lithium niobate (LiNbO3) is a very attractive material for optical applications (such as opticaltelecommunication, biomedicine, astrophysics) thanks to its low propagation losses (0.1 dB/cm or less), its weakwavelength dispersion, its large optical bandwidth (350-5000 nm), and its strong electro-optical, non linear and acoustoopticalcoefficients. However, classical LiNbO3-based optical components possess active lengths of several centimers,which is not benefic for their good integration in compact optical circuits.We will focus this study more precisely on the feasibility of ultra-compact electro-optical modulators while keeping theperformances of commercialized LiNbO3 Mach-Zehnder type modulators, like their low insertion losses, their high extinctionratios, and their low power consumptions. To overcome this challenge, we will structure high aspect ratio photonic crystalson lithium niobate waveguides by combining optical grade dicing and focused ion beam milling. The main configuration isbased on the technology of LiNbO3 ridge waveguide in order to confine the light laterally and on the nano-structuration ofhigh aspect ratio photonic crystal on the ridge waveguide to enhance the sensibility to electric field stimuli on a fewmicrometers only. Structuring such high aspect ratio PhC will be possible thanks to focused ion beam milling from thetopside and the lateral side of the waveguide.The first issue is to optimize the technology developed in FEMTO-ST Institute for the fabrication of LiNbO3 integratedcomponents. The second issue is to create new configurations to control the propagation of light. This will be the firstexperimental demonstration of high aspect ratio LiNbO3 nanostructures.

Le premier volet de cette thèse est consacré à la modélisation des phénomènes de transport dans le LN. Partant d'une analyse critique des modèles de bande usuels, nous montrons leur inadéquation dans le cas du LN et nous proposons un modèle de saut basé sur la théorie des petits polarons. Nous étudions d'abord par simulation Monte-Carlo la décroissance d'une population de polarons liés NbLi4+ relaxant vers des pièges profonds FeLi3+. Nous montrons que les pièges FeLi3+ ont des rayons effectifs particulièrement grands, rayons qui augmentent encore à température décroissante, et limitent considérablement les longueurs de diffusion des polarons. Les résultats de simulations sont ensuite confrontés aux résultats expérimentaux obtenus par différentes techniques ; Absorption photo-induite, Raman, Enregistrement holographique et Pompe-sonde. Le deuxième volet de cette thèse est consacré aux applications électro-optiques dans le LN périodiquement polarisé (PPLN). Sous l’effet d’une tension électrique, l’indice de réfraction du PPLN est périodiquement diminué et augmenté, formant ainsi un réseau d’indice activable électriquement. Un premier composant utilisant l’effet électro-optique dans du PPLN a été développé et démontré expérimentalement. Dans ce composant, la lumière est défléchie sous l’effet de la tension électrique par le réseau d’indice. Ce déflecteur de Bragg atteint une efficacité de diffraction proche de 100% avec une faible tension de commande de l’ordre de 5 V. Un deuxième composant a également été proposé, où la lumière se propage perpendiculairement aux parois de domaines du PPLN. Dans cette configuration un réflecteur de Bragg électro-optique peut être réalisé / The first part of this thesis is devoted to the modeling of transport phenomena in the LN. From a critical analysis of the usual band models, we show their inadequacy in the case of LN and we propose a hopping model based on the theory of small polarons. We first study by Monte-Carlo simulation the population decay of bound polarons NbLi4+ in deep traps FeLi3+. We show that the traps (FeLi3+) have particularly large effective radii, which increase further at decreasing temperature, and considerably limit the diffusion lengths of the polarons. The results of simulations are then compared with experimental results obtained by different techniques; Light-induced absorption, Raman, Holographic storage and Pump-Probe. The second part of this thesis is devoted to electro-optical applications in the periodically poled LN (PPLN). Under the effect of an electrical voltage, the refractive index of the PPLN is periodically decreased and increased, thus forming an electrically activatable index grating. A first component using the electro-optical effect in PPLN has been developed and demonstrated experimentally. In this component, the light is deflected under the effect of the electrical voltage by the index grating. This Bragg deflector achieves a diffraction efficiency of close to 100% with a low drive voltage of the order of 5 V. A second component has also been proposed, where light propagates perpendicularly to the domain walls of the PPLN. In this configuration an electro-optic Bragg reflector can be realized

Le développement de matériaux avec différents ordres ferroïques couplés (multiferroïques) motive d’intenses activités de recherche. Une combinaison particulièrement intéressante est celle des paramètres d'ordre magnétique et électrique qui, dans le cas favorable où ceux-ci sont couplés, ouvre la voie au contrôle électrique de l’aimantation. Celui-ci peut être envisagé via la manipulation de la polarisation d’un ferroélectrique ou des déformations d’un piézoélectrique Les propriétés du matériau ferroélectrique/piézoélectrique peuvent être inversement modifiées par l’état d’aimantation, ce qui laisse envisager des applications dans le domaine des capteurs de champs magnétiques. Ce travail s’inscrit dans l’étude de systèmes piézoélectrique/ magnétostrictif, avec un intérêt spécifique porté à l’influence de l’aimantation sur les ondes acoustiques de surface (SAW) générées dans le dispositif. Nous avons ainsi déposé des couches polycristallines de Ni, des multicouches [Co/IrMn], ainsi que des couches épitaxiées de TbFe2 sur des substrats de Niobate de Lithium (LNO) de différentes orientations. Sur LNO Z-cut, la croissance de TbFe2 est réalisée en utilisant différentes couches tampons simples ou doubles qui permettent d’obtenir des directions de croissance [111] ou [110] avec des anisotropies magnétiques respectivement perpendiculaire et planaire. Sur des substrats de coupe 128Y et 41Y, la croissance s’avère beaucoup plus complexe mais il est néanmoins possible d’obtenir un film cristallisé de TbFe2 multidomaines avec des relations d’orientation 3D similaires à celles obtenus sur LNO Z-cut, que ce soit entre la couche magnétique et la couche tampon, ou entre la couche tampon et le substrat. Des dispositifs magnétiques à ondes acoustiques de surface (MSAW) ont été ensuite fabriqués dans une géométrie de résonateur permettant une interrogation à distance aisée. La fréquence de résonance des dispositifs MSAW est sensible à l’application d’un champ magnétique externe, via des effets statiques liés à l’orientation de l’aimantation sous champ et via des effets dynamiques d’origine magnétoélastique liés à l’excitation acoustique. Nous avons examiné les réponses magnéto-acoustiques des différents dispositifs, en corrélation étroite avec les propriétés magnétiques statiques, en particulier l’anisotropie, la coercivité et l’hystérèse. Un modèle piézomagnétique équivalent a été utilisé pour simuler certaines de ces réponses. De manière générale, nous montrons qu’un choix judicieux du matériau magnétique et le contrôle de ses propriétés permettent d’élaborer des capteurs spécifiques : un matériau magnétique doux permet de contrôler l’anisotropie de la réponse acoustique via la forme des IDT; un matériau magnétique dur ouvre la voie au développement de capteurs de forts champs magnétiques; un système à anisotropie d’échange dont on peut contrôler la réversibilité de la réponse magnétique permet d’envisager un capteur de champ magnétique hors plan / The development of materials with different coupled ferroic orders (multiferroics) drives an intense research activity. A particularly interesting combination is the case where magnetic and electrical orders are simultaneously present, which, in the favorable case where these are coupled, opens the way to the electrical control of magnetization. This can be achieved in manipulating the polarization in a ferroelectric or the strains in a piezoelectric compound. Ferroelectric or piezoelectric properties can inversely be influenced by the magnetic state, an interesting feature for the development of magnetic field sensors. This work aims in the investigation of piezoelectric/magnetostrictive systems, more especially in the role of the magnetization and of the magnetization versus field behavior on the surface acoustic waves (SAW). Polycristalline Ni films, [Co/IrMn] multilayers and epitaxial TbFe2 films have been deposited on Lithium Niobate (LNO) substrates of different orientations. On LNO Z-cut, various single or double buffer layers have been used to achieve the TbFe2 epitaxial growth, along either [111] or [110] directions and with either perpendicular or in-plane magnetic anisotropy. On LNO 128Y and 41Y substrates, the growth is more complex but it is nevertheless possible to obtain crystalline multidomains TbFe2 films with 3D orientation relationships similar to those obtained on LNO Z-cut, both between the magnetic and the buffer layers, and between the buffer layer and the substrate. Magnetic surface acoustic wave (MSAW) devices have been patterned in a resonator geometry that enables an easy wireless interrogation. The MSAW device resonance frequency is sensitive to an external magnetic field, both via static effects related to the field-induced magnetization changes, and via magnetoelastic dynamic effects related to the acoustic excitation. We have investigated the MSAW magneto acoustic responses of the various devices in close connection with the static magnetic properties, especially the anisotropy, the coercivity and the hysteresis. An equivalent piezomagnetic model could support some of these observations. We show more generally that the proper choice of magnetic material and the control of the magnetic properties helps to build up specific sensors: soft magnetic materials enable to tailor the anisotropy of the MSAW response by engineering the IDT’s shape; hard magnetic materials enable to achieve high field unipolar or bipolar field response; exchange-biased systems in which the reversibility of the magnetic response is achieved let envision the development of sensors for out-of-plane magnetic fields

En raison d’un désordre aléatoire à longue distance, un verre présente une symétrie d'inversion telle que la génération de seconde harmonique (GSH) est interdite. Cependant, par irradiation avec un laser femtoseconde (fs) très focalisé, il est possible de précipiter des cristaux optiquement non linéaires, et de rompre la symétrie d'inversion et donc d'induire une GSH. De plus, ceci peut être réalisé localement en trois dimensions. Pour la démonstration, on a appliqué, dans le système vitreux Li₂O-Nb₂O₅-SiO₂ le mode opératoire décrit ci-dessous qui permet la formation de cristaux de LiNbO₃, hautement optiquement non linéaire. La procédure est la suivante : 1) ajustement de la composition chimique du verre pour obtenir un verre suffisamment sensible au laser fs ; 2) contrôle des paramètres du laser (durée d'impulsion, fréquence de répétition des impulsions, vitesse de balayage du faisceau, énergie d'impulsion…) pour obtenir des nanocristaux avec répartition spatiale et taille correcte. En outre, la taille de la zone affectée doit être limitée ; 3) contrôle de l'orientation des nanocristaux. On montre qu'il est possible de satisfaire à cette condition, en contrôlant l'orientation de la polarisation du laser. Ceci a été montré par la méthode de rétrodiffusion d'électrons de diffraction (EBSD). En d'autres termes, ce processus peut être contrôlé directement avec la lumière. En outre, la spectroscopie par rayons X à dispersion d'énergie couplée à la microscopie à transmission électronique à balayage (STEM /EDS) et la microscopie électronique à transmission a révélé une microstructure orientable similaire à celle appelée nanoréseaux formée dans silice. L'originalité est que les nanocristaux optiques non linéaires texturées noyées dans un réseau de "murs" vitreux, sont alignés perpendiculairement à la direction de polarisation du laser. Il en résulte que la biréfringence et la propriété optique non linéaire peuvent être maîtrisées ensemble. Ceci est une percée dans ce travail de thèse. Ces résultats mettent en évidence des modifications spectaculaires de verre par rayonnement laser fs. Avec de nouvelles améliorations dans les techniques de fabrication, l'application de ce travail est de parvenir à réaliser un guide d'ondes biréfringent doubleur ou changeur de fréquences. / Due to random disorder, a glass exhibits inversion symmetry such that second harmonic generation (SHG) is forbidden. However, by irradiation with a tightly focused femtosecond (fs) laser, it is possible to induce nonlinear optical crystal precipitation, in order to break the inversion symmetry and thus to induce SHG. Moreover, this can be achieved locally in three dimensions. For demonstration, we applied the procedure described below in the glass system Li₂O-Nb₂O₅-SiO₂ that allows the formation of LiNbO₃ crystal, a highly non linear optical one. The procedure is thus the following: 1) adjustment of the glass chemical composition for obtaining a glass sensitive enough to fs laser. 2) control of the laser parameters (pulse duration, pulse repetition rate, speed of beam scanning, pulse energy…) for obtaining nanocrystals with correct space distribution and size. In addition, the size of the affected zone has to be limited. 3) control of the orientation of the nanocrystals. We show that it is possible to fulfill this condition by controlling the laser polarization orientation. This has been achieved by electron backscatter diffraction method (EBSD). In other words, this process can be controlled with light directly. In addition, energy dispersive X-ray spectroscopy coupled to scanning transmission electron microscopy (STEM/EDS) and transmission electron microscopy revealed an orientable microstructure similar to the one called nanogratings form in silica. The originality here is a textured nonlinear optical nanocrystals embedded in a network of “walls” made of vitreous phase, aligned perpendicular to the laser polarization direction. It results that birefringence and nonlinear optical property can be mastered in the same time. This is a highly valuable aspect of the work. These findings highlight spectacular modifications of glass by fs laser radiation. With further improvements in the fabrication techniques, the application of this work is to achieve SHG waveguide and birefringence-based devices.

Ce mémoire traite de l’ étude et de la réalisation de composants à ondes élastiques de surface (SAW) pour des applications de filtrage dans les gammes VHF et UHF. Nous y étudions différentes structures de ces filtres, à commencer par des filtres à couplage acoustique longitudinal centrés aux alentoursdu gigahertz, de bande passante relative inférieure à 0,1 % réalisés sur quartz. Leur fabrication et leur caractérisation ont révélé des pertes d’insertion inférieures à 5 dB et des niveaux de rejet supérieurs à 20 dB, conformément aux prévisions de notre modèle de matrice mixte. Un tel filtre a été inséré dans un oscillateur pour valider la fonction réalisée. Pour une maîtrise accrue de la conception de ces filtres, nous avons développé un modèle tenant compte de la contribution des modes transverses sur leur fonction de transfert. Des comparaisons entre théorie et expérience ont permis de démontrer la précision de ce modèle. Nous nous sommes également intéressés à des structures de filtres à éléments d’impédance et à transducteurs en éventails (fan-shaped) pour la réalisation de bandes passantes relatives comprises entre 1 et 15 % dans la bande 100 − 300 MHz. Pour chacune de ces structures, nous avons développé un modèle permettant d’en étudier le comportement. Une configuration de filtre en treillis de bande passante relative proche de 2 %a été fabriquée et caractérisée, ainsi que plusieurs filtres à transducteurs en éventails de bandes passantes relatives supérieures à 10 %. Enfin, nous avons étudié deux approches qui nous ont permis de réaliser des dispositifs fonctionnant à des fréquences voisines de 3 GHz. La première, consiste à exploiter les vitesses de phase supérieures à 5 km.s−1 d’un guide d’ondes à base de carbone-diamant. La seconde exploite la résolution d’un procédé de lithographie par nano-impression pour réduire la période des réseaux d’ électrodes. / This thesis deals with the development of surface acoustic wave devices (SAW) for filtering applications in the VHF and UHF bands. Several filter structures are studied. The first ones are longitudinally coupled resonator filters (LCRF) manufactured on Quartz with a relative pass-band narrower than 0,1 % centered at about 1 GHz. These filters have been fabricated and characterized, yielding less than 5 dB insertion loss with rejection levels in excess of 20 dB as predicted by our P-matrix model. One of these filters has been mounted in an oscillator to validate its characteristics.To improve the design of such filters, we have developed a model accounting for transverse mode contributions on their spectral function. Comparisons between theory and experiment emphasizes the accuracy of the developed model. We also have investigated impedance element and slanted transducers (fan-shaped) filter structures to produce filters with relative pass-band ranging from 1 to 15 % in the 100 − 300 MHz frequency range. For each type of filters, we have developed a model to predict their electrical response. A balanced-bridge filter configuration with a 2 % relative pass-band and four fan-shaped filters with pass-band larger than 10 % have been fabricated and characterized. Finally, we have studied two approaches for the development of SAW devices operating at frequencies in the vicinity of 3 GHz. The first approach exploits Diamond-based substrates, providing phase velocity higher than 5 km.s−1. The second one uses a nano-imprint lithography process to reduce the pitch of electrode gratings.