L'environnement proche des étoiles de Herbig AeBe est encore mal connu. Ces étoiles étant plus massives que les étoiles T Tauri, elles évoluent plus vite, et il n'est pas clair que la matière située dans les zones les plus internes puisse se structurer de manière similaire - c'est à dire sous la forme d'un disque accrétant via des colonnes d'accrétion magnetosphérique et de jets bipolaires.<br /><br />Seule l'interférométrie optique permet de sonder les unités astronomiques les plus proches. Ma thèse se place dans le contexte de l'utilisation et le développement de nouveaux diagnostiques à haute résolution angulaire pour l'étude des étoiles jeunes et plus particulièrement des étoiles de Herbig.<br /><br />Dans un premier temps, je développe mon investissement instrumental dans le contexte du spectro-imageur VSI dont le but est de fournir des images indépendantes des modèles à haute résolution angulaire, notamment des étoiles jeunes. Je décris le circuit de recombinaison en optique intégrée au coeur de cet instrument, sa caractérisation complète en laboratoire ainsi que les contraintes obtenues liées aux performances attendues d'un instrument imageur. <br /> <br />Dans un second temps, je présente deux résultats obtenus en spectro-interférométrie, sur une étoile de Herbig Be [MWC297], puis sur une étoile de Herbig Ae [AB AUR], observées avec l'instrument AMBER/VLTI dans son mode de résolution spectrale intermédiaire autour de la raie Brackett gamma. Alors que dans MWC297 cette émission a pu être reproduite avec un modèle d'une enveloppe de gaz en expansion, elle semble être localisée près du bord interne du disque de poussières dans le cas de AB Aur. Une analyse des mesures photométriques et interférométriques en bandes larges est présentée avec un modèle de transfert radiatif complet. <br /><br />Enfin, je présente une étude effectuée sur FU Orionis à partir de mesures de clôtures de phase, quantité donnant accès au degré d'asymétrie d'une émission à l'échelle de la milliseconde d'angle. Le but de ce travail est de tester l'hypothèse de l'existence d'un compagnon proche potentiellement responsable des éruptions de luminosité observées dans les FU Ors.

Ce travail concerne des guides d'ondes semiconducteurs pour la génération et l'oscillation paramétrique. Dans de tels guides, la conversion de fréquence est accordée en phase grâce à un noyau multicouche biréfringent GaAs/AlOx. Cette technique d'accord de phase a déjà permis la réalisation de plusieurs interactions optiques non linéaires, telles que la génération de seconde harmonique et de différence de fréquence, ainsi que la fluorescence paramétrique. A présent, l'objectif est la réalisation d'un oscillateur paramétrique intégré semiconducteur. Notre travail dans cette direction a porté principalement sur deux points.<br />Le premier point est l'optimisation du processus de fabrication. Le principal inconvénient des guides d'ondes GaAs/AlOx sont les larges pertes par diffusion provoquées par la rugosité des couches oxydées. De telles pertes ont pénalisé l'efficacité de dispositifs nonlinéaires intégrés déjà démontrés et empêché jusqu'à présent l'accomplissement de l'oscillation paramétrique. Dans le but d'améliorer la transmission des guides, un nouveau schéma de fabrication et d'oxydation a été introduit, et les résultats obtenus ont été systématiquement vérifiés par des mesures des pertes. Celles-ci ont été réduites, de manière reproductible, à 0.4 cm-1.<br />Le deuxième point est la caractérisation nonlinéaire des guides. Nous avons démontré la fluorescence paramétrique avec une accordabilité entre 1.7 et 2.7 micron et une efficacité de conversion comparable à celle des meilleurs guides en niobate de lithium. En plus de cela, nous avons exploité les interactions de génération de seconde harmonique et d'amplification paramétrique pour étudier précisément le gain paramétrique dans nos guides. A la dégénérescence nous avons mesuré un coefficient de gain paramétrique ≈ 4 cm-1 W-1/2 et démontré une amplification paramétrique G = Ps(L)/Ps(0) - 1 ≈ 4.5%.<br />Ces résultats sont très encourageants pour la réalisation d'un oscillateur paramétrique intégré. Sur la base de nos valeurs de pertes et de gain paramétrique nous estimons que la réflectivité des facettes requise pour atteindre le seuil d'oscillation, dans une configuration doublement résonante, est inférieure à 90%. Un premier essai de fabrication de miroirs intégrés a été effectué et le travail dans cette direction se poursuit actuellement au sein du laboratoire MPQ.

Cette thèse porte sur l'étude d'un composant optique à base de guides d'onde monomodes destiné à recombiner de manière cohérente les faisceaux provenant de quatre télescopes. L'architecture proposée permet de fournir une mesure instantanée de la visibilité et de la phase des tranges pour les six paires possibles de télescopes sur la bande H de transparence de l'atmosphère. A partir des résultats de caractérisation optique obtenus sur les dispositifs réalisés en technologie silice sur silicium, des composants plus complexes destinés aux projets d'instrumentation de seconde génération du VLTI (Very Large Telescope Interferometer) ont pu être étudiés. Il est notamment montré que l'architecture proposée est extensible aux bandes d'observation J et K et à la recombinaison de faisceaux issus de six voire huit télescopes, et peut être aussi avantageusement utilisée pour réaliser un suiveur de franges.

Dans un contexte de changements climatiques, des capteurs de méthane abordables, mais performants et autonomes sont requis pour surveiller les émissions et quantifier les concentrations de ce puissant gaz à effet de serre dans l’atmosphère des régions éloignées, comme les milieux nordiques. Une solution prometteuse pour répondre à ce besoin provient de la photonique sur silicium, une plateforme d’optique intégrée. Les guides d’onde intégrés sont un composant essentiel pour la détection sur puce par spectroscopie d’absorption, où ils jouent le double rôle de routage et de transducteur. Ainsi, ce projet vise à améliorer les performances du guide d’onde nécessaire à cette application. Des guides d’onde en réseaux sous-longueur d’onde(SWG) opérant en régime de lumière lente sont proposés pour améliorer l’interaction lumière matière. Leur segmentation périodique a comme effet qu’une large fraction de la lumière se propage dans l’air, le milieu d’intérêt à sonder. De plus, il est démontré que la périodicité de la structure, lorsque proche, mais inférieure à la moitié de la longueur d’onde, produit un effet de lumière lente ; c’est-à-dire que la vitesse de la lumière guidée diminue alors fortement. Leurs pertes de propagation et leurs indices de groupe sont ensuite caractérisés et comparés à des guides d’onde en ruban conventionnels à titre de référence. Bien que les guides d’onde SWG possèdent un facteur d’interaction supérieur aux guides d’onde en ruban, leurs pertes de propagation plus élevées limitent leurs performances. Les guides d’onde en ruban sont donc la meilleure option pour cette application, en plus d’être mécaniquement plus robustes et faciles à concevoir et fabriquer. Des efforts de détection sur puce avec ces derniers ont été réalisés, mais la présence de franges d’interférence est le facteur limitant malgré l’application d’une technique de traitement de signal pour les atténuer. D’autres méthodes sont proposées pour améliorer le rapport signal sur bruit. Finalement, il est démontré expérimentalement que les guides d’onde SWG peuvent supporter un régime de lumière lente. Un indice de groupe maximal de 30 est obtenu et celui-ci est aisément accordable, autant en amplitude qu’en position spectrale, ouvrant la voie à diverses autres applications pour ce type de guide d’onde. / In the context of climate change, affordable, but effective and autonomous methane sensors are required to monitor the emissions and the concentration of this potent greenhouse gas in the atmosphere of remote areas, like in northern environments. A promising solution to this need comes from silicon photonics, an integrated optics platform. Integrated waveguides are an essential component for on-chip detection by absorption spectroscopy, where they play the dual role of routing and transducer. Thus, this project aims at improving the performance of the waveguide for this application. The use of slow-light subwavelength grating waveguides (SWG) is proposed to enhance the light-matter interaction. Their periodic segmentation has the effect that a large fraction of the light is propagating through the air, the medium of interest to probe. In addition, we show that the periodicity of the structure, when close but less than half the wavelength, produces the slow-light effect; i.e. the speed of guided light drops sharply. Their propagation losses and their group index are then characterized and compared to conventional strip waveguides for reference. Although the SWG waveguides have an interaction factor greater than strip waveguides, their higher propagation loss limit their performances. Strip waveguides are therefore chosen for further investigation for the sensor application., in addition to being mechanically robust, and easier to design and fabricate. Efforts for on-chip detection of methane have been made with strip waveguides, but the presence of interference fringes is the limiting factor despite the application of a signal processing technique to mitigate them. Other methods are proposed to improve the signal to noise ratio. Finally, we experimentally show that SWG waveguides can support a slow-light regime. A maximum group index of 30 is obtained and it is easily tunable, in both amplitude or wavelength, paving the way for various other applications for this type of waveguide.

En 1859 les physicien et chimiste allemands G. Kirchhoff et R. Bunsen ont découvert que chaque élément chimique dispose d'une signature spectrale unique. Suite à cela, la spectrométrie s'est imposée comme un outil d'analyse majeur y compris en astrophysique (notamment grâce à l'italien A. Secchi). Ainsi la plus grande partie des informations dont nous disposons sur les objets astrophysiques proviennent de l'analyse spectrale ; la découverte des premières planètes extra-solaires est même due à celle-ci. Depuis ses débuts, cette technique a trouvé de nombreuses applications dans des domaines aussi variés que la médecine, la détection de gaz ou encore l'étude des polluants. Dans cette thèse nous nous proposons d'étudier et de développer un nouveau type de spectromètres nommés SWIFTS (pour Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) basés sur la détection d'une onde stationnaire obtenue à l'intérieur d'un guide optique. Pour ce faire, nous utilisons une technique originale dite de " détection évanescente ". Dans cette thèse nous étudions et modélisons les performances d'un tel spectromètre notamment en utilisant une méthode matricielle et une méthode de décomposition dans le domaine de Fourier. Les premiers prototypes ont été réalisés dans les bandes I et R du système photométrique de Johnson, ces bandes ayant été choisies pour la facilité d'obtention de détecteurs et guides optiques efficaces. Étant donné les technologies disponibles, ces prototypes ne peuvent atteindre l'efficacité théorique maximale d'un SWIFTS (environ 73%) ; néanmoins elles nous ont permis de mesurer des résolutions de l'ordre du cm-1 sur un large domaine spectral (650 nm à 900 nm).

Les futurs systèmes de communication utiliseront des porteuses de fréquences d'ondes millimétriques (mm) (30 GHz - 300 GHz) et au-delà pour surmonter la saturation des différentes bandes de fréquence et atteindre des débits élevés. Les systèmes radio sur fibre (RoF) ont attiré l'attention grâce à leur faible coût et à la faible atténuation des fibres. Dans le cadre de cette thèse, différentes configurations et plusieurs conceptions de lasers ont été proposées pour la génération de fréquences radio par voie optique. L’amélioration du processus de fabrication de laser développé au laboratoire a permis d’obtenir des sources monomodes émettant autour du pic d'erbium (1534 nm) jusqu'à des puissances optiques de sortie de 41 mW avec une efficacité de 9,8%. Leurs largeurs de raie optiques ont été mesurée égales à 2 kHz et leur bruit d’intensité relatif (RIN) égal à -145 dB/Hz après 50 MHz. Avec ces lasers, des signaux électriques à des fréquences millimétriques de largeur de raie de quelques kHz ont été générés. Trois configurations hétérodynes ont été proposées pour améliorer la stabilité thermique des signaux générés afin de répondre aux normes IEEE. Des lasers co-intégrés ont été de plus fabriqués pour générer des porteuses comprises entre 5GHz et 165GHz. Une étude comparative a montré que les comportements des porteuses ainsi générées étaient indépendants de la fréquence produite. Enfin, les conceptions de structures intégrant coupleur, adaptation de modes et de plusieurs lasers sur verre pompés par une unique source ont été étudiées. En utilisant les porteuses générées par ces dernières réalisations, des transmissions de données ont été accomplies répondant aux normes requises. / Future communication systems will use millimeter-wave (mm) (30 GHz - 300 GHz) frequency carriers and beyond to overcome the saturation of different frequency bands and achieve high data rates. Radio-over-Fiber (RoF) systems have gained attention thanks to their low cost and low fiber attenuation. In this thesis, different configurations and several laser designs have been proposed for radio frequency generation by photonic based technique. The Improvement of the laser fabrication process developed in the laboratory resulted in single-mode sources emitting around the erbium peak (1534 nm) up to 41 mW optical output power with 9.8% efficiency. Their optical linewidths were measured equal to 2 kHz and their relative intensity noise (RIN) equal to -145 dB/Hz after 50 MHz. Using these lasers, electrical signals at millimeter frequencies having linewidths of few kHz have been generated Three heterodyning configurations have been proposed to improve the thermal stability of the generated signals in order to meet the IEEE standards. Co-integrated lasers have been further manufactured to generate carriers between 5GHz and 165GHz. A comparative study showed that the behaviors of the carriers thus generated were independent of the produced frequency. Finally, the designs of structures integrating coupler, tapers and several lasers on glass pumped by a single source were studied. By using the carriers generated by these latest implementations, data transmissions have been accomplished meeting the required standards.

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.

Le but de ce travail est la réalisation d'un composant intégré pour l'amplification optique des signaux de télécommunications. La fonction d'amplification est primordiale dans tous les types de transmissions de données à moyenne et longue distance. Nous verrons tout d'abord le rôle du composant dans les réseaux de télécommunications optiques, ainsi que la théorie des processus d'amplification appliquée aux deux matériaux utilisés (Nanocristaux de PbSe et particules dopées Erbium). Après la fabrication et la caractérisation optique de la résine de PMMA dopée aux nanocristaux de PbSe, nous décrirons l'élaboration du composant incluant les différentes étapes de simulation et de fabrication. Les propriétés optiques de ce guide amplificateur seront déterminées : pertes de propagation et de couplage, gain on-off et gain net.

Les communications quantiques (QC) longues distances sont tributaires de l'existence de sources efficaces de photons uniques dont la longueur d'onde doit être adaptée aux communications dans les fibres optiques (1550nm). Ce manuscrit présente l'étude et la réalisation expérimentale d'une source de photons uniques annoncés, basée sur l'utilisation de paires de photons issues d'un guide d'onde intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Le principe repose sur la séparation des photons d'une paire et la détection de l'un sert à annoncer la présence de l'autre. Aussi, ce guide d'onde nous permet de venir récolter les paires de photons simplement à l'aide d'une fibre optique monomode, gage de compacité et stabilité de la source. <br />L'intervalle de temps entre deux paires successives n'étant pas définit, cette source présente un fonctionnement dit « asynchrone ». Afin de caractériser les performances de ce type de source, nous proposons deux méthodes expérimentales originales. La première repose sur un modèle d'analyse des statistiques des détections dans un montage de type « Hanburry Brown & Twiss » pour remonter aux probabilités d'avoir 0, 1 ou 2 photons, tandis que la seconde est une « version asynchrone » du montage original de « Hanburry Brown & Twiss » pour tracer la fonction de corrélation croisée du second-ordre. Les performances de cette première source de photons uniques aux longueurs d'ondes télécom se situent parmi les meilleures au monde avec une probabilité d'avoir un photon unique à 1550nm de 0,37 accompagnée d'une réduction des événements à deux photons d'un facteur 12 par rapport à une source poissonnienne équivalente.

L'interférométrie en frange noire est une technique coronographique utilisée en astronomie et qui est au coeur de la mission spatiale Darwin de l'ESA pour la détection de planètes dans des systèmes extra-solaires. Cette technique requiert une grande stabilité du système optique pour la recombinaison de plus de deux faisceaux. De plus, les objectifs scientifiques<br />à atteindre nécessitent également l'utilisation d'un filtrage<br />modal des faisceaux incidents. Ce travail de thèse est axé sur le<br />développement de l'optique intégrée pour la bande 4 - 20 microns<br />pouvant regrouper les fonctions de recombinaison et de filtrage. Le contexte initial est celui de l'extension de l'optique guidée monomode de l'infrarouge proche vers l'infrarouge moyen qui constitue un domaine d'intérêt important pour la recherche de planètes. Après une présentation des enjeux de l'interférométrie en frange noire, j'introduis les notions fondamentales de l'optique<br />guidée monomode utilisés pour l'étude des solutions guides<br />diélectriques et guides creux métalliques. La problématique du<br />couplage du signal dans le guide est également abordée. Leur<br />caractérisation en laboratoire à 10 mircons a requis le développement de bancs optiques et de méthodes spécifiques qui ont permis la mise en évidence du caractère monomode de premières structures synthétisées suivant un procédé technologique précis. Les premières mesures de taux d'extinction montrent également l'intérêt de poursuivre ce type de développement en vue du filtrage modal.<br />L'optique intégrée dans l'infrarouge moyen a atteint une nouvelle<br />et importante étape et pourra répondre, à moyen terme, à la<br />problématique posée par l'interférométrie en frange noire.