Depuis le premier concept proposé par K.Iga il y a 30 ans jusqu'aux recherches actuelles sur l'intégration photonique des VCSELs (pour Lasers à Cavité Verticale à Emission par la Surface), une forte activité de recherches a été déployée sur ces composants optoélectroniques emblématiques, du matériau au composant jusqu'au système, leur permettant d'acquérir leur position stratégique actuelle. C'est dans cette dynamique que s'est inscrit mon parcours scientifique. Les principales activités de recherche que j'ai menées depuis 1992 sur la technologie des VCSELs et leur intégration dans des systèmes photoniques sont décrites dans ce mémoire. Je rappelle tout d'abord brièvement les avantages des dispositifs III-V à cavité verticale pour l'optoélectronique et plus particulièrement les propriétés des VCSELs, composants au centre de mes travaux. Ce contexte général étant posé, je décris les contraintes imposées lors de l'élaboration de ces dispositifs à cavité verticale sur GaAs ainsi que la technique de contrôle optique en temps réel qui m'a permis de répondre à ce défi. Je détaille ensuite mes travaux sur la photo-détection en cavité verticale, qui ont porté sur la conception, la réalisation et la caractérisation de photo-détecteurs simples à cavité massive, de VCSELs à double fonction pour la détection d'un faisceau externe, ainsi que de VCSELs avec monitoring intégré exploitant la détection latérale de l'émission spontanée dans le plan de la cavité. La thématique du contrôle de l'injection électrique dans les VCSELs de grandes dimensions pour la manipulation de solitons de cavité ou la génération de puissance est également exposée, ainsi que les études menées sur l'intégration des VCSELs dans les microsystèmes qui m'ont conduite à mettre en place une nouvelle filière sur la micro-optique intégrée à base de polymères pour ces composants. Enfin, les prospectives de recherche qu'ouvrent l'ensemble de ces travaux sont présentées ainsi que le contexte dans lequel elles s'inscrivent.

Les matériaux hybrides organiques-inorganiques sont largement utilisés en optique intégrée. La réalisation de circuits photoniques sur ce type de matériaux est faite en créant une polymérisation de la partie organique, notamment par écriture laser. La partie inorganique permettant de former le réseau minéral est synthétisé par hydrolyse et condensation (procédé sol-gel). Des travaux antérieurs ont montré l'efficacité d'une composition basée sur un mélange de Methacryloxypropyltrimethoxysilane (MAPTMS) et de propoxyde de Zirconium. La polymérisation de la partie organique du MAPTMS est de type radicalaire. Son principal inconvénient est son inhibition en présence d'oxygène. L'objectif principal de ce travail est donc de pallier à cet inconvénient par le développement d'une nouvelle génération de matériaux hybrides photopolymérisables. Notre choix s'est porté sur un matériau hybride dont la polymérisation de la partie organique se fait non plus par voie radicalaire mais par voie cationique. Ce type de matériau possède l'avantage supplémentaire d'une plus grande simplicité de synthèse et donc d'une meilleur reproductibilité des propriétés finales. Le précurseur choisi est le 2-(3,4 epoxycyclohexylethyltrimethoxysilane) ou EETMOS. Il possède un groupement de type epoxy connu pour permettre une meilleure adhérence sur de nombreux substrats (silicium, verre, plastique?). Parallèlement, nous avons cherché à améliorer la résolution de l'écriture laser dans la conception des circuits. Pour cela, nous avons diminué la longueur d'onde du laser utilisé de 365 à 262 nm. Ceci nous a conduit au choix d'un amorceur spécifique de polymérisation. Le travail est centré sur l'étude des performances du matériau dans le proche Infrarouge et particulièrement dans les fenêtres optiques des télécommunications (1,3 et 1,55 µm). La transmission optique autour de ces longueurs d?onde est limitée par les groupements OH créés durant la synthèse du matériau et dont la conséquence est d?engendrer une atténuation de l?intensité du rayonnement lors de la propagation de la lumière dans le matériau. Afin d'optimiser le matériau, une étude structurale a été réalisée depuis la synthèse du sol jusqu'à l'obtention des dépôts et enfin l'intégration du matériau dans une structure guidante.

La technologie d'échange d'ions sur verre, développée et maîtrisée à l'IMEP il y a quelques années, a permis la réalisation de nombreuses fonctions optiques pour les télécommunications, pour l'astrophysique et pour la mesure de grandeurs physiques, chimiques et biologiques. Aujourd'hui les recherches sont poussées vers les verres dopés et les structures hybrides pour la réalisation de composants actifs. L'ajout de fonctions optiques non linéaires donne de nouvelles perspectives à cette technologie. Un exemple de non linéarité est une contrainte mécanique exercée sur un guide d'onde. Cette contrainte va changer l'indice de réfraction du guide. Une onde acoustique qui se déplace dans ou sur le verre va changer localement son indice de réfraction. Ce travail de thèse est dédié à l'interaction acousto-optique sur verre. Deux types d'ondes acoustiques sont étudiés, les ondes de volume et les ondes de surface. Le résultat de cette recherche nous a permis de simplifier un capteur de déplacement développé antérieurement au sein du laboratoire et de concevoir un nouvel analyseur de polarisation intégré sur verre. Les perspectives de ce travail sont d'introduire l'effet acousto-optique en optique intégrée sur verre, de l'exploiter et de l'améliorer pour la réalisation de nouvelles fonctions optiques.

Ce mémoire présente l'étude et la réalisation expérimentale de deux sources de paires de photons, intriqués en énergie-temps et en « time-bins », basées sur un guide d'ondes intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Dans les deux cas, les photons jumeaux sont créés par génération paramétrique à la longueur d'onde dégénérée de 1310 nm autorisant leur transport par fibre optique télécom.<br />Le guide PPLN montre une efficacité de conversion supérieure à 10-6, correspondant à une amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport aux générateurs massifs. Même pompé par de faibles puissances, il présente une probabilité significative de créer deux paires simultanément ce qui est un avantage essentiel pour certains protocoles de communication quantique. Nous proposons à cet effet deux méthodes de caractérisation de la probabilité de créer une paire par photon de pompe (régime continu) ou par impulsion laser.<br />Afin d'examiner la qualité des états enchevêtrés, deux expériences d'interférométrie ont montré des taux de contraste respectifs de 97 % et de 84 % pour les intrications en énergie-temps et en time-bins. Bien que ce dernier taux puisse être amélioré, ces résultats montrent le fort potentiel des guides PPLN pour devenir l'un des éléments clés des futurs protocoles de communication quantique.

Les verres à basse énergie de phonons, tels que les verres de fluorozirconates, restent à ce jour des matériaux d'avenir pour leur potentiel en optique active, en particulier pour les systèmes amplificateurs et lasers. Il existe aujourd'hui une demande croissante de systèmes optiques intégrés pour distribuer le haut débit d'informations dans les réseaux métropolitains et locaux des télécommunications. C'est pourquoi des guides planaires ont été réalisés par échange ionique F-/Cl- sur des verres ZBLA (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3) pour l'amplification optique dans la bande C (1530-1560 nm) des télécommunications. Après avoir déterminé précisément les paramètres temps et température pour l'obtention de guides monomodes à 1,55 µm sur guides plans, des guides canalisés ont été obtenus par un processus de photolithographie, adapté aux verres de fluorures, utilisant un masque de silice. Les paramètres opto-géométriques des guides canaux ont été mesurés. Les propriétés spectroscopiques des verres dopés Er3+ ont été étudiées dans le but de déterminer les paramètres clefs de l'amplificateur optique à 1,55 µm. Afin de tirer parti des diodes laser à forte puissance pour le pompage à 980 nm, les codopages Er3+/Ce3+ et Er3+/Yb3+ ont également été étudiés. Les transferts d'énergie dans ces systèmes codopés se sont révélés efficaces. Un gain "on/off" de 3,9 dB/cm a été démontré à 1530 nm dans un guide canalisé monomode codopé Er3+/Ce3+, avec une dépendance linéaire à la puissance de pompe. Les pertes par propagation ont été estimées de l'ordre de 0,3 dB/cm. Ces résultats sont prometteurs et permettent d'envisager un futur développement de ces systèmes amplificateurs. Par ailleurs, des verres massifs ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF) dopés Tm3+ ont également été étudiés dans le but d'obtenir une émission laser autour de 1,8 µm. Un rendement de pente a été trouvé égal à η = 8,6 % et le seuil de la puissance de pompe incidente autour de 130 mW, pour un verre dopé 3% Tm3+ l'épaisseur 4 mm, sous excitation à λ = 792 nm.

Pour accompagner la demande accrue en termes de débits d'informations (40 Gb.s-1 et au-delà) dans les réseaux, il devient nécessaire d'insérer des fonctions optiques rapides pour le traitement du signal. Afin de pouvoir les réaliser, cette thèse s'intéresse à l'exploitation des effets des susceptibilités diélectriques non linéaires d'ordre 3 (ou ki(3)). Ainsi la thèse présente l'étude de la conception de guides monomodes à base de P3AT (Poly(3-AlkylThiophène)), polymère n'ayant jamais été utilisé en guides d'ondes. Après un état de l'art des fonctions cibles et des matériaux, nous montrons que les guides en P3AT pourraient aboutir à des fonctions miniaturisées tout-optique ultra-rapides. Afin de prévoir la mesure de l'effet Kerr de ces matériaux en structure guidante à 1550 nm, un premier banc de caractérisation par auto-modulation de phase a été optimisé et validé avec des fibres standards et spéciales. Pour la conception des guides ensuite, il a été nécessaire de faire la synthèse du polymère pour assurer une bonne solubilité pour la mise en oeuvre. Nous avons ensuite travaillé à l'étude de plusieurs structures de guides : ‘‘ridge'', induits par ruban, ruban inversé, hybrides. Chaque structure a été validée avec des polymères passifs ou standards, mais la propagation dans les guides P3AT n'a pu être mise en évidence. Cependant nous avons démontré que les pertes optiques n'étaient pas intrinsèques au matériau P3AT, mais plutôt causées par la diffusion de lumière par des centres diffusants extrinsèques.

L’optique intégrée sur verre est une technologie mature dont les nombreuses applica-tions vont des télécommunications optiques aux capteurs. L’amélioration constante des per-formances des dispositifs réalisés est basée sur une densification des fonctions et donc uneréduction des dimensions des guides d’onde ainsi qu’une augmentation de la densité de puis-sance que ceux-ci transportent. Dans ce travail, nous avons donc étudié les performancesultimes de la technologie de l’échange d’ions argent/sodium sur verre en matière de confi-nement et de longueur de propagation. En particulier, dans le cas de la génération d’effetsnon-linéaires, nous avons mis en évidence la nécessité de trouver un compromis entre ces deuxaspects. Nous démontrons alors que les performances des guides d’onde obtenus par échanged’ions argent/sodium sont intrinsèquement limitées par les pertes optiques attribuées à laprésence d’argent métallique. Ceci se traduit par la présence d’un seuil d’endommagementà fortes densités de puissances. Pour dépasser cette limitation nous avons proposé et ini-tié alors un changement radical de technologie dont nous présentons les premiers résultatsobtenus par échange thallium/sodium sur un verre spécifiquement développé. / Glass integrated optics is a key enabling technology which applications range from opticaltelecommunications to sensors. The steady improvement of devices performances is sustainedby an increasing functions density and thus smaller waveguides supporting higher powerdensities. In this work we investigate the ultimate performances in terms of confinementand propagation length of the silver/sodium ion-exchanged waveguides fabricated on glasstechnology. In particular, a trade-off between these two features has been highlighted inthe case of nonlinear effects. We then demonstrate that the performances of silver/sodiumion-exchanged waveguides are mainly limited by optical losses introduced by metallic silveraggregates even for buried low-losses waveguides. Hence the waveguides exhibit a damagethreshold for high power densities. To overcome this limitation a major technology changehas been initiate and we present the first results obtained by thallium/sodium ion exchange.

Le présent travail visait à développer et à étudier une nouvelle méthode de fabrication des guides d'onde, " High Index Soft Proton Exchange " (HISoPE) , qui permet de réaliser des guides d'onde très confinés (dne = 0,1). Des caractérisations en génération d'harmonique localisée ont montré que les propriétés non linéaires de ces guides ne sont pas détruites mais les guides HISoPE réalisés sur coupe Z peuvent présenter des modes ayant des pertes élevées. Ces pertes peuvent être éliminés en utilisant des bains plus acides pour l'échange, mais cela implique des déformations plus importante dans les guides d'onde canal et la nature hybride des modes propageant. Dans le cadre du projet PhoXcry, nous avons essayé de réaliser un modulateur électro-optique très efficace en combinant des cristaux photoniques et des guides HISoPE sur coupe X. Dans les meilleurs guides d'onde fabriqués sur coupe X, les pertes à la propagation, expliquées par la nature hybride des modes sont de 1.75dB/cm, mais dans les guides d'ondes nanostructurés il n'a pas été possible d'identifier clairement une bande interdite photonique. HISoPE en combinaison avec l'échange inverse (Reverse Proton Exchange, RPE) a montré un grand potentiel pour la fabrication de guides d'onde enterrés. Dans une expérience de SHG et malgré des pertes élevées de 2dB/cm, nous avons pu estimer une efficacité de conversion de 160%/W*cm2. Un comportement du coupleur directionnel a été observé dans les guides d'onde enterrés fabriqué en raison d'une cinétique RPE différente dans les différentes parties du guide d'onde. Un développement ultérieur de la méthode HISoPE + RPE devrait permettre d'améliorer la qualité des guides enterrés.

L’optique intégrée sur verre est une technologie mature dont les nombreuses applica-tions vont des télécommunications optiques aux capteurs. L’amélioration constante des per-formances des dispositifs réalisés est basée sur une densification des fonctions et donc uneréduction des dimensions des guides d’onde ainsi qu’une augmentation de la densité de puis-sance que ceux-ci transportent. Dans ce travail, nous avons donc étudié les performancesultimes de la technologie de l’échange d’ions argent/sodium sur verre en matière de confi-nement et de longueur de propagation. En particulier, dans le cas de la génération d’effetsnon-linéaires, nous avons mis en évidence la nécessité de trouver un compromis entre ces deuxaspects. Nous démontrons alors que les performances des guides d’onde obtenus par échanged’ions argent/sodium sont intrinsèquement limitées par les pertes optiques attribuées à laprésence d’argent métallique. Ceci se traduit par la présence d’un seuil d’endommagementà fortes densités de puissances. Pour dépasser cette limitation nous avons proposé et ini-tié alors un changement radical de technologie dont nous présentons les premiers résultatsobtenus par échange thallium/sodium sur un verre spécifiquement développé. / Glass integrated optics is a key enabling technology which applications range from opticaltelecommunications to sensors. The steady improvement of devices performances is sustainedby an increasing functions density and thus smaller waveguides supporting higher powerdensities. In this work we investigate the ultimate performances in terms of confinementand propagation length of the silver/sodium ion-exchanged waveguides fabricated on glasstechnology. In particular, a trade-off between these two features has been highlighted inthe case of nonlinear effects. We then demonstrate that the performances of silver/sodiumion-exchanged waveguides are mainly limited by optical losses introduced by metallic silveraggregates even for buried low-losses waveguides. Hence the waveguides exhibit a damagethreshold for high power densities. To overcome this limitation a major technology changehas been initiate and we present the first results obtained by thallium/sodium ion exchange.

La spectrométrie est une méthode d'analyse permerttant d'avoir accès à la composition et à la strucuture de la matière. Les spectromètres étant utilisés dans de nombreux domaines , beaucoup de développements sont réalisés afin de les rendre plus compacts pour des raisons de place et de mobilité. Cette thèse présente la réalisation et la caractérisation d'un spectromètre de Fourier en optique intégrée sur verre appelé LLIFTS (Leaky Loop Integrated Fourier Transform Spectrometer). Il utilise le couplage d'un guide plan avec un guide courbe à fuite pour créer un interférogramme de Fourier. Des caractérisations dans le proche infrarouge et dans le domaine du visible ont permis de mesurer une résolution spectrale de 7nm (R=221) entre 1500nm et 1600nm et de 3nm (R=260) à 4nm (R=221) entre 700nm et 900nm. Le LLIFTS permet donc d'obtenir des résolutions spectrales équivalentes aus autres spectromètres compacts existants mais avec l'avantage d'être facilement réalisable. L'accès à l'interférogrmme de Fourier permet aussi de détecter des variations de phase entre deux ondes. Ce qui permet d'utiliser le LLIFTS dans des applications comme la tomographie optique cohérente (OCT). Des premières mesures de déphasage sont présentées dans cette thèse. / Spectrometry is an analytical method to access the composition and structure of the matter. Spectrometers are used in many fields. For reasons of space and mobility, many development are made to decrease the size of these spectrometers. This thesis presents the realization and characterization of a Fourier spectrometer in glass integrated optics called LLIFTS (Leaky Loop Integrated Fourier Transform Spectrometer). It uses the coupling of a plane waveguide with a bend waveguide to obtain a Fourier interferogram. Characterizations in the near infrared and visible domain were made. A spectral resolution of 7 nm (R = 221) between 1500nm and 1600nm and 3 (R = 260) 4 nm (R = 221) between 700nm and 900nm is obtained. The Fourier spectrometer developed in this thesis allows to obtain spectral resolution equivalent to other existing compact spectrometers but with an easier realisation. The measurement of the Fourier interferogram allows to detect phase changes between the two waves. So the LLIFTS can be used for applications such as optical coherence tomography (OCT). The first measurements of phase shift are presented in this thesis.