Les dernières décennies ont été témoins d'une flambée sans précédent du trafic de données, nécessitant un besoin urgent de liaisons optiques ultra-rapides. Cela a donné l'impulsion aux systèmes de transmission optique à haute capacité de nouvelle génération. Dans ces systèmes, des modulateurs optiques intégrés ayant une bande passante élevée, économe énergétiquement, compacts, stables et adaptés à une intégration à grande échelle sont très demandés. La plate-forme de photonique sur silicium (SiP), bien qu'elle souffre de l'absence d'effets électro-optiques inhérents dans la silice, s'est néanmoins avéré être une solution rentable pour les transmetteurs de haute capacité puisqu'elle tire parti du processus CMOS mature. Par conséquent, un effort considérable a été consacré au développement d'appareils de haute performance sur cette plate-forme. Cette thèse se concentre sur les transmetteurs SiP pour la prochaine génération de réseaux optiques où l'espace, en tant que dernière dimension physique, est proposé pour surmonter le « manque de capacité » associé à la technologie actuelle. Pour construire de tels transmetteurs, il faut intégrer un ensemble de modulateurs optiques dans une seule puce. Ces modulateurs doivent simultanément se caractériser par un fonctionnement à grande vitesse, une faible consommation d'énergie, un encombrement réduit et une grande stabilité. Les modulateurs SiP bien connus, tels que les modulateurs à micro-anneaux (MRM) et les modulateurs Mach-Zehnder (MZM), ne répondent pas à tous les critères susmentionnés. Les MRM présentent une faible performance en termes de stabilité et les MZM sont gourmands en énergie. C'est pourquoi nous étudions des modulateurs SiP nouveaux et avancés dans deux chapitres de cette thèse. Pour la première fois, nous faisons la démonstration de modulateurs SiP basés sur la conversion de mode. Lorsqu'opérés en réflexion, les modulateurs de Bragg offrent un rendement élevé ainsi qu'un fonctionnement à grande vitesse. Cependant, les modulateurs fonctionnant en réflexion sont gênés par le manque de circulateurs sur puce. Nous abordons cette question et présentons expérimentalement un modulateur SiP basé sur des guides d'ondes asymétriques à réseau de Bragg suivis d'un coupleur directionnel asymétrique (ou jonction Y asymétrique), offrant des opérations en réflexion sans avoir besoin de circulateurs et avec de faibles pertes sur la puce. Dans notre deuxième contribution, nous faisons la démonstration du premier modulateur à lumière lente basé sur des résonateurs à réseau de Bragg couplés (BGR), un MZM assisté par des BGR couplés. Les BGR, composés de cavités à faible facteur Q en série, ralentissent les ondes optiques dans une large bande passante optique (quelques nanomètres). Cela permet au modulateur d'améliorer la modulation de phase sur une gamme de longueurs d'onde de fonctionnement relativement large, ce qui se traduit par des performances plus stables par rapport aux modulateurs à résonance unique (p. ex., les MRM). Atteignant un bon équilibre dans les indicateurs de performance, le MZM assisté par les BGR peut être reconnu comme un choix potentiel pour les futurs systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde/espace (SDM/WDM). Suite à notre démonstration pionnière, nous étudions, comme troisième contribution, l'impact de l'effet de lumière lente sur la performance des modulateurs SiP, le compromis existant entre efficacité et vitesse en particulier. Lorsque l'efficacité est améliorée dans des modulateurs SiP typiques, soit en augmentant la capacité de la jonction PN (dans les MZM), soit en introduisant des structures hautement résonantes (dans les MRM), cela entraîne également une augmentation de la constante de temps RC ou de la durée de vie des photons, respectivement, et donc une diminution de la largeur de bande électro-optique (EO). Dans ce chapitre, nous proposons de remettre en question ce compromis pour les modulateurs à lumière lente et d'étudier s'ils sont capables de surpasser les modulateurs SiP typiques. À cette fin, il est nécessaire de disposer de modèles complets de la réponse EO de ces modulateurs, intégrés soit avec des électrodes en bloc, soit avec des électrodes mobiles. À l'aide de ces modèles, nous comparons les modulateurs à lumière lente avec les MZM convectifs. Nous examinons également différentes méthodes de conception pour réduire les V[indice π] des modulateurs SiP afin qu'ils puissent répondre aux exigences des pilotes COMS et des interfaces électriques pour la prochaine génération de transmetteurs SiP. Dans notre quatrième contribution, nous faisons état d'un modulateur tout silicium à lumière lente qui permet un fonctionnement à grande vitesse du PAM sans utiliser de convertisseur numérique-analogique (CNA) électrique. Les BGR sont intégrés dans chaque bras d'un MZM an de ralentir les ondes optiques, ce qui améliore la modulation de phase sur une bande passante optique relativement importante. Le signal optique PAM à 4 niveaux est généré par une conception segmentée dans des déphaseurs à lumière lente avec deux signaux de commande binaires, ce qui élimine le besoin d'un CNA à grande vitesse. Ce modulateur combine les avantages d'un encombrement ultra-compact, d'une faible consommation d'énergie, d'une large bande passante électro-optique et d'un fonctionnement stable en présence de variations de température. Les guides d'ondes à lumière lente présentent de bonnes performances avec de faibles variations de la longueur d'onde centrale et de la largeur de bande sur la plaquette. Ce modulateur devrait être singulièrement intéressant pour les applications qui nécessitent un groupe de modulateurs compacts sur une seule puce. Enfin, pour notre cinquième contribution, nous poursuivons l'objectif de développer des transmetteurs optiques SDM à haute performance adaptés aux systèmes de transmission optique à haute capacité de la prochaine génération. Nous proposons des transmetteurs optiques présentant un rendement énergétique élevé, une densité de bande passante élevée, une stabilité relativement élevée et entièrement intégrés dans la plateforme SiP (une solution rentable). Nous discutons des méthodologies de conception et des exigences de ces transmetteurs SDM qui consistent en des modulateurs à lumière lente (MZMs assistés par des BGRs) suivis d'un multiplexeur modal sur puce. Nous ciblons les systèmes à courte et longue portée en concevant respectivement des modulateurs PAM à électrodes groupées et des modulateurs IQ à électrodes à ondes progressives. Afin de multiplexer spatialement les signaux provenant des modulateurs, nous faisons la démonstration d'une conception de multiplexeurs modaux sur puce basée sur des coupleurs directionnels asymétriques. Nous mettons en cascade trois de ces coupleurs pour créer quatre canaux spatiaux (TE0, TE1, TE2 et TE3). Pour réaliser une transmission MDS complète. Cette sortie multiplexée spatialement doit être injectée dans une fibre à noyau elliptique faiblement multimode supportant les mêmes modes. / Recent decades have witnessed an unprecedented surge in data traffic, necessitating an urgent need for ultra-fast optical links. This has provided the impetus for the next-generation high-capacity optical transmission systems. In these systems, integrated optical modulators that are high-bandwidth, power efficient, compact, stable, and suited-for-large-scale-integration are highly demanded. The silicon photonics (SiP) platform, although it suffers from the lack of inherent electro-optic effects in silicon, has nevertheless offered a cost-effective solution for high-capacity transmitters leveraging the mature CMOS process. Hence, a tremendous effort has been dedicated to developing high-performance devices in this platform. This thesis focuses on SiP transmitters for the next generation of optical networks where space, as the last physical dimension, is offered to overcome the "capacity crunch" associated with the current technology. To build such transmitters, a set of optical modulators is required to be integrated into a single chip. These modulators should simultaneously feature high-speed operation, low energy consumption, compact footprint, and stability. Well-known SiP modulators, such as micro-ring modulators (MRMs) and Mach-Zehnder modulators (MZMs), do not meet all the aforementioned criteria. MRMs present a poor performance in terms of stability and MZMs are energy-hungry. Hence, we investigate novel and advanced SiP modulators in two chapters of this thesis. As our first contribution, for the first time, we demonstrate mode-conversion based SiP modulators. If operated in reflection, Bragg modulators offer high efficiency as well as high-speed operation. However, modulators operating in reflection are hindered by the lack of on-chip circulators. We address this issue and experimentally present a SiP modulator based on asymmetric Bragg grating waveguides followed by an asymmetric directional coupler (or asymmetric Y-junction), offering operation in reflection without the need for circulators and with low on-chip loss. In our second contribution, we demonstrate the first slow-light modulator based on coupled Bragg-grating resonators (BGRs), an MZM assisted by coupled BGRs. BGRs, composed of low-Q-factor cavities in series, slow down optical waves in a broad (a few nanometers) optical bandwidth. This enables the modulator to enhance phase modulation across a relatively wide operating wavelength range, resulting in more stable performance compared to single-resonance-based modulators (e.g., MRMs). Achieving a good balance in the performance indicators, the MZM assisted by BGRs can be recognized as a potential choice for future space/wavelength division multiplexing (SDM/WDM) systems. Following our pioneering demonstration, as the third contribution, we study the impact of the slow-light effect on the performance of SiP modulators, the existing trade-off between efficiency and speed in particular. When efficiency is enhanced in typical SiP modulators, either by increasing PN junction capacitance (in MZMs) or by introducing highly resonant structures (in MRMs), it also leads to increasing the RC time constant or the photon lifetime, respectively; thus, spoiling the electro-optic (EO) bandwidth. In this chapter, we aim to challenge this tradeoff in slow-light modulators and investigate whether they are capable of outperforming typical SiP modulators. To this end, comprehensive models for the EO response of these modulators integrated either with lumped electrodes or with travelling-wave electrodes are required. Using these models, we compare slow-light modulators with convectional MZMs. We also examine different design methodologies for reducing V[subscript π] of SiP modulators so that they can meet the requirements of CMOS drivers and electrical interfaces for the next generation of SiP transmitters. In our fourth contribution, we report a slow-light all-silicon modulator that enables high-speed PAM operation without using an electrical digital-to-analog converter (DAC). BGRs are integrated into each arm of a MZM in order to slow down optical waves, enhancing the phase modulation over a relatively large optical band width. Optical 4-level PAM signal is generated using a segmented design in slow-light phase shifters with two binary driving signals, eliminating the need for a high-speed DAC. This modulator combines advantages of ultra-compact footprint, low energy consumption, large electro-optic bandwidth, and stable operation in the presence of temperature variations. The slow-slight waveguides show good performance with small variances in center wavelength and bandwidth across the wafer. This modulator should be singularly interesting for applications that require a group of compact modulators on a single chip. Finally as our fifth contribution, we pursue the goal of developing high-performance optical SDM transmitters suited for next-generation high-capacity optical transmission systems. We propose optical transmitters featuring high power efficiency, high bandwidth density, relatively high stability, and fully integrated in the SiP platform (a cost-effective solution). We discuss design methodologies and requirements of these SDM transmitters which consist of slow-light modulators (MZMs assisted by BGRs) followed by an on-chip mode multiplexer. We target both short-reach and long-haul systems in designing PAM modulators with lumped electrodes and IQ modulators with travelling-wave electrodes, respectively. In order to spatially multiplex the signals coming from the modulators, we demonstrate a design of on-chip mode multiplexers based on asymmetric directional couplers. We cascade three of these couplers to create four spatial channels (TE0, TE1, TE2, and TE3). To realize a full SDM transmission, this spatially multiplexed output should be injected into a few-mode elliptical-core fiber supporting the same modes.

Ce travail de thèse a pour objet la mise en oeuvre d'une méthode de calcul des états liés dans les structures à multipuits quantiques. Il participe ainsi à l'amélioration des outils de simulation permettant d'optimiser les composants avant leur réalisation. Nous présentons le modèle physique utilisé ainsi que les différentes méthodes couramment employées pour le calcul de ces états. Une comparaison avec le calcul par éléments finis du premier ordre montre un avantage majeur de notre approche dans des cas limites usuels comme le couplage de deux puits identiques ou le calcul des bandes de valence d'un puits quantique large, ainsi qu'en terme de rapidité. La finalité de ce calcul est l'évaluation du gain matériau, élément de base de la simulation des composants. Ce nouveau module vient compléter le simulateur BCBV dont nous rappelons les principaux modèles tels que celui de dérive-diffusion et du couplage électrique-optique en semi-classique. Cependant, la présence de zones quantiques peut nécessiter une approche par la matrice de densité pour rendre compte, de manière plus précise, des phénomènes de transport. Pour finir, nous tentons de comparer les résultats de la simulation du gain avec des mesures effectuées à partir de lasers de type Fabry-Pérot.

L'articulation trapézométacarpienne est fréquemment l'objet de consultations en pratique clinique courante. En effet, c'est une articulation régulièrement atteinte par l'arthrose responsable de douleurs et d'une diminution de la mobilité. Néanmoins, elle demeure difficile à analyser cliniquement, sur le plan cinématique, du fait de sa complexité anatomique et biomécanique. Nous avons donc développé et validé un protocole d'examen cinématique de l'articulation trapézométacarpienne in vivo. Pour ceci, nous avons utilisé un système de mesure optoélectronique. La précision du système de mesure a été déterminée, puis, nous avons quantifié la reproductibilité du protocole d'analyse cinématique. Un logiciel a été développé pour quantifier les amplitudes de mobilités, en utilisant une séquence d'axes mobiles. La détermination des axes hélicoïdaux finis, au cours de deux mouvements purs a permis d'analyser les axes du cardan qui peut modéliser cette articulation. La cinématique de l'articulation trapézométacarpienne de 101 sujets sains a été étudiée afin de constituer une base de données. La méthodologie proposée étant portable, il a été possible d'étudier la cinématique articulaire de patients au cours de leur consultation à l'hôpital. 14 patients présentant une arthrose trapézométacarpienne, puis 9 patients opérés pour une arthrose trapézométacarpienne par ablation du trapèze (trapézectomie) ont été analysés. Ce protocole permettra d'évaluer le retentissement d'une atteinte trapézométacarpienne et l'efficacité de son traitement. Il pourra, de plus, apporter une aide à la conception d'implants trapézométacarpiens.

Les ondes térahertz sont à l'origine de nombreuses applications, notamment dans les domaines de la sécurité (portiques d'aéroports), de la médecine (étude des interactions ondes-molécules), et des télécommunications sans fils à très haut débit. Pour toutes ces applications, les détecteurs de puissance sont d'un grand intérêt puisqu'ils intègrent l'intensité de la radiation incidente. Cette caractéristique leur permet d'enregistrer des signaux sans avoir recours à une activation hétérodyne, contrairement aux détecteurs de champ térahertz. L'objectif de ce travail de thèse est de réaliser la caractérisation de la réponse spectrale de détecteurs de puissance térahertz, principalement dédiés à l'intégration des dispositifs de télécommunications sans fils. Pour cela, nous avons élaboré une expérience impulsionnelle large bande construite autour d'un laser femtoseconde (amplifié ou non), d'un émetteur térahertz (photocommutateur ou cristal non-linéaire) ainsi que d'un interféromètre à deux ondes (Michelson). Dans un premier temps, nous décrivons le fonctionnement de l'expérience et déterminons ses limites au travers d'une étude paramétrique. Plusieurs configurations, choisies en fonction des lasers utilisés, sont sélectionnées afin d'obtenir les meilleures performances possibles. La méthode de caractérisation des détecteurs de puissance est ensuite démontrée et validée expérimentalement. Enfin, nous profitons de la polyvalence du banc pour montrer, d'une part, la possibilité de réaliser la caractérisation spatiale et spectrale d'un faisceau térahertz en une unique mesure résolue temporellement ; et d'autre part, la caractérisation de l'indice de réfraction et de l'absorption d'un milieu faiblement absorbant. / Terahertz waves have led to a lot of applications, such as security, biology, and high speed wireless telecommunications. Moreover, power detectors are also very useful because they integrate the radiation intensity. This thesis focus on the characterisation of the spectral response of terahertz power detectors in order to integrate wireless communication devices. To that end, we designed an wide-band set-up made of a femtosecond laser, a terahertz emitter, and a two-wave Michelson interferometer. Firstly, we describe how the experiment works, and show its limits through a parametric study. Various configurations were considered, according to the used lasers, in order to obtain the best performances. We then show how to characterise the power detectors response, and validate the experimental results. Finally, thanks to the versatility of our set-up, we show that a unique measurement can give us both a spectral and a spatial beam characterisation at the same time. On the other hand, we also have access to the refractive index and the absorption of weakly absorbing media by the mean of spectroscopic methods.

À la frontière entre l'optoélectronique et la conception des systèmes optiques, les matrices de détecteurs possèdent aujourd'hui une forme plane, liée aux technologies standard de la microélectronique. Or, la courbure sphérique de la surface de détection permettrait un gain substantiel sur les systèmes optiques en termes de volume, de masse et finalement de coût. Cette solution est par ailleurs largement répandue dans le monde vivant (œil camérulaire humain, yeux composés des mouches, etc).Des travaux de thèse précédents ont mis en évidence l'intérêt de la rétine courbe bio-inspirée en réalisant une matrice de microbolomètres infrarouge hémisphérique.Pendant la thèse, le procédé de courbure de composants en silicium (e.g. les bolomètres) a été optimisé et stabilisé à l'aide d'un plan d'expérience et d'une simulation par éléments finis incluant l'anisotropie du silicium. Des formes sphériques convexe et concave sans défauts (pliures et méplat) ont été démontrées sur des puces carrées et rectangulaires en tirant profit de leur flexibilité aux faibles épaisseurs.D'autre part, un nouveau procédé de courbure pour les composants hybrides (flip-chip) a permis la réalisation de plusieurs matrices fonctionnelles de détecteurs quantiques en CdHgTe courbes. Des formes sphériques concaves, convexes et cylindriques concaves à des rayons compris entre 550 et 100 mm ont été obtenues avec succès malgré la fragilité mécanique du CdHgTe.Des mesures optoélectroniques nécessitant de multiples adaptations pour ces nouveaux composants courbes ont démontré leur bonne opérabilité (>97 %) en termes de courant photonique, réponse, bruit et courant d'obscurité. Une simulation par éléments finis de la mise en forme, intégrant l'anisotropie du CdHgTe, a permis de mettre en relation les contraintes et déformations avec les propriétés optoélectroniques de ce semi-conducteur II-VI. La localisation et l'émergence de lignes de glissement ainsi que l'identification des dislocations mises en jeu sont notamment discutées.Le premier prototype de caméra compacte infrarouge à détecteurs courbes a été réalisé et confirme le bon fonctionnement du composant et son potentiel. / At the optoelectronics and optical systems conception boundary, focal plane arrays have a planar shape because of microelectronics technologies. Yet spherical focal plane arrays would simplify optical systems conception and reduce volume, weight and total cost. This shape is widespread in Nature - human concave eye, arthropods convex compound eyes, etc.The advantages of the bio-inspired curved retina have been established in previous works, where a spherical infrared microbolometers array was manufactured.During this thesis, the silicium-based devices curving proccess (e.g. bolometers) has been optimised thanks to a design of experiments and a finite element simulation including silicium anisotropy. Convex and concave shapes without defects (folds and flat part) have been demonstrated with square and rectangular chips due to their flexibility at small thicknesses.Then, a new and different curving proccess for hybrid devices (flip-chip) was developed. Several curved CdHgTe focal plane arrays were obtained and fully fonctionnal. Concave and convex spherical shapes as well as concave cylindrical shapes have been successfully achieved despite a high CdHgTe fragility.Optoelectronic measurements such as photonic current, responsivity, noise and dark current were performed with some adaptation for curved devices. High operabilities have been demonstrated (> 97 %). In addition a finite element simulation of the proccess has been conducted with the CdHgTe anisotropy. Direct relations between induced stress and strain, and optoelectronic properties, have been proved in this II-VI semiconductor. Location and surfacing of slip lines as well as dislocations identification are discussed.Finally, a compact infrared camera prototype with a curved CdHgTe focal plane array has been manufactured for the first time. It confirms that the device is fully fonctionnal and has a great potential for high value applications.

La photonique silicium est reconnue comme la technologie à même de répondre aux nouveaux défis des interconnexions optiques. Néanmoins, la photonique silicium doit faire face à d'importants défis. En effet, le Si ne peux pas émettre ou détecter de la lumière dans la plage de longueurs d'onde des télécom (1,3 µm à 1,5 µm). Par conséquent, les sources et les détecteurs sont mis en œuvre avec du Ge et des matériaux III-V. Cette approche multi-matériaux complique la fabrication des dispositifs et augmente le coût final du circuit. Cependant, les nanomatériaux ont été identifiés comme alternative pour la mise en œuvre d’émetteurs-récepteurs moins chers et plus petits.Cette thèse est dédiée à l'étude et au développement de dispositifs optiques et optoélectroniques sur la plateforme photonique silicium basés sur l’utilisation de nanotubes de carbone mono paroi (SWCNT). L’objectif principal est de démontrer les blocs fonctionnels de base qui ouvriront la voie à une nouvelle technologie photonique dans laquelle les propietés actives proviennent des nanotubes de carbone.Les nanotubes de carbone ont été étudiés comme matériaux pour la nanoélectronique avec la démonstration de transistors ultra-compacts à hautes performances. De plus, les SWCNTs semi-conducteurs (s-SWCNTs) sont également des matériaux très intéressants pour la photonique. Les s-SWCNTs présentent une bande interdite directe qui peut être ajustée dans la gamme de longueurs d'onde du proche infrarouge en choisissant le bon diamètre. Les s-SWCNT présentent une photoluminescence et une électroluminescence, pouvant être exploitées pour la mise en œuvre de sources de lumière. Ils présentent également diverses bandes d’absorption pour la réalisation de photodétecteurs. Ces propriétés font que les nanotubes de carbone sont des candidats très prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques pour la photonique.Le premier objectif de la thèse était l'optimisation des solutions de nanotubes de carbone. Une technique de tri par ultra-centrifugation assistée par polymère a été optimisée, donnant des solutions de haute pureté en s-SWCNT. Sur cette base, plusieurs solutions de s-SWCNTs ont été élaborées pour obtenir des SWCNTs émettant dans les longueurs d'onde comprise entre 1µm et 1,6µm.Le deuxième objectif était d’étudier l'interaction des s-SWCNT avec des guides d'onde silicium et des résonateurs optiques. Plusieurs géométries ont été étudiées dans le but de maximiser l'interaction des s-SWCNT avec le mode optique en exploitant la composante transverse du champ électrique. D'autre part, une approche alternative a été proposée et démontrée en utilisant la composante longitudinale du champ électrique. En utilisant la composante longitudinale, une amélioration de la photoluminescence, un seuil d’émission avec la puissance de pompe ainsi qu’un rétrécissement de la largeur spectrale des résonances dans les microdisques ont été observés. Ces résultats sont un premier pas très prometteur vers la démonstration d’un laser intégré à base de SWNTs.Le troisième objectif était d'étudier les dispositifs optoélectroniques à base de s-SWCNTs. Plus spécifiquement, une diode électroluminescente (DEL) et un photodétecteur ont été développés, permettant la démonstration du premier lien optoélectronique sur puce basé sur les s-SWCNT.Le dernier objectif de la thèse était d'explorer le potentiel de s-SWCNT pour l’optique non linéaire. Il a été démontré expérimentalement, qu’en choisissant la chiralité des s-SWCNTs, le signe du coefficient Kerr pouvait être soit positif ou négatif. Cette capacité unique ouvre un nouveau degré de liberté pour contrôler les effets non linéaires sur puce, permettant de compenser ou d'améliorer les effets non linéaires pour des applications variées. / Silicon photonics is widely recognized as an enabling technology for next generation optical interconnects. Nevertheless, silicon photonics has to address some important challenges. Si cannot provide efficient light emission or detection in telecommunication wavelength range (1.3μm-1.5μm). Thus sources and detectors are implemented with Ge and III-V compounds. This multi-material approach complicates device fabrication, offsetting the low-cost of Si photonics. Nanomaterials are a promising alternative route for the implementation of faster, cheaper, and smaller transceivers for datacom applications.This thesis is dedicated to the development of active silicon photonics devices based on single wall carbon nanotubes (SWCNTs). The main goal is to implement the basic building blocks that will pave the route towards a new Si photonics technology where all active devices are implemented with the same technological process based on a low-cost carbon-based material, i.e. SWCNT.Indeed, carbon nanotubes are an interesting solution for nanoelectronics, where they provide high-performance transistors. Semiconducting SWCNT exhibit a direct bandgap that can be tuned all along the near infrared wavelength range just by choosing the right tube diameter. s-SWCNTs provide room-temperature photo- and electro- luminescence and have been demonstrated to yield intrinsic gain, making them an appealing material for the implementation of sources. SWCNTs also present various absorption bands, allowing the realization of photodetectors.The first objective of this thesis was the optimization of the purity of s-SWCNT solutions. A polymer-sorting technique has been developed and optimized, yielding high-purity s-SWCNT solutions. Based on this technique, several solutions have been obtained yielding emission between 1µm and 1.6µm wavelengths.The second objective was the demonstration of efficient interaction of s-SWCNT with silicon photonics structures. Different geometries have been theoretically and experimentally studied, aiming at maximizing the interaction of s-SWCNT with optical modes, exploiting the electric field component transversal to light propagation. An alternative approach to maximize the interaction of s-SWCNT and the longitudinal electric field component of waveguide modes was proposed. Both, a power emission threshold and a linewidth narrowing were observed in several micro disk resonators. These results are a very promising first step to go towards the demonstration of an integrated laser based on CNTs.The third objective was to study optoelectronic SWCNT devices. More specifically, on-chip light emitting diode (LED) and photodetector have been developed, allowing the demonstration of the first optoelectronic link based on s-SWCNT. s-SWCNT-based LED and photodetector were integrated onto a silicon nitride waveguide connecting them and forming an optical link. First photodetectors exhibited a responsivity of 0.1 mA/W, while the complete link yielded photocurrents of 1 nA/V.The last objective of the thesis was to explore the nonlinear properties of s-SWCNT integrated on silicon nitride waveguides. Here, it has been experimentally shown, for the first time, that by choosing the proper s-SWCNT chirality, the sign of the nonlinear Kerr coefficient of hybrid waveguide can be positive or negative. This unique tuning capability opens a new degree of freedom to control nonlinear effects on chip, enabling to compensate or enhancing nonlinear effects for different applications.

Cette thèse porte sur le développement de nouvelles unités π-conjugués pour l’étude de la chimie supramoléculaire des fullerènes et pour des applications en optoélectronique. Différentes structures π-étendues et polycycliques aromatiques ont été synthétisées, caractérisées, et étudiées en chimie supramoléculaire ou en électronique organique. Les objectifs des travaux de cette thèse et les éléments théoriques sont introduits dans le premier chapitre pour une meilleure compréhension et une mise en contexte des chapitres de cœur. Le deuxième chapitre porte sur le design et la synthèse d’une famille d’hôtes pour fullerènes à partir d’un motif porphyrine cyclophane fonctionnalisé par diverses unités aromatiques. Les variations structurelles ont permis une étude comparative structure-propriétés de complexation avec les fullerènes C60 et C70. Le chapitre 3 détaille la synthèse d’un nouveau dérivé hautement conjugué du tetrathiafulvalène à partir du motif anthanthrone, le sExTTF. L’étude du motif sExTTF pour la reconnaissance de fullerènes à mener à l’observation de la photo-oxydation du lien 1,3-dithiole-ylidène médié par le C60. Le chapitre 4 présente les travaux initiaux sur la fonctionnalisation du pigment de cuve Vat Orange 3. La structure 4,10-dibromoanthanthrone a été fonctionnalisée de façons diverses pour moduler la largeur de bande interdite et les propriétés électrochimiques sur une large plage de valeurs. Dans le chapitre 5, les travaux sur la fonctionnalisation de l’anthanthrone sont étendus à la synthèse de dérivés fonctionnalisés en positions 6,12 par des amines et des imines. Les propriétés optoélectroniques et d’empilements du noyau anthanthramine peuvent être contrôlé par la N-fonctionnalisation de l’amine. L’effet de l’aromaticité locale sur la conjugaison π a aussi été évalué. Le chapitre 6 porte sur la synthèse d’une famille de dérivés cruciformes au noyau aromatique polycyclique anthanthrène pour une étude comparative structure-propriétés. Cette étude a permis l’observation de la conjugaison effective à travers l’axe 6,12 du noyau anthanthrène. Le potentiel des dérivés anthanthrènes comme semi-conducteurs de type p pour des applications d’électronique organique, cellules solaires et transistors à effet de champ, a été évalué dans le chapitre 7. Finalement, une conclusion et la mise en perspective des résultats obtenus et travaux futurs sont présentées dans le chapitre 8. / This thesis presents the development of new π-conjugated units for supramolecular complexation of fullerenes and optoelectronic applications. A variety of π-extended and polycyclic aromatic structures were synthesized, characterized and their potential in supramolecular and organic electronic was assessed. In the first chapter, the thesis objectives and theoretical elements are introduced for a better understanding and contextualization of the main chapters. Chapter 2 presents the design and synthesis of a class of strapped porphyrins functionalized with different aromatic units. Structural variations allowed for a comparative structure-property relationship analysis of C60 and C70 complexation. The third chapter details the synthesis of a new super-extended tetrathiafulvalene derivative, abbreviated sExTTF, from the anthanthrone scaffold. Study of a bis-sExTTF supramolecular host for fullerenes led to the observation of the photooxidation of the 1,3-dithiol-2-ylidene bond. This photooxidation reaction is sensitized by the fullerene and has significant implications for supramolecular and materials chemistry. The 4th chapter presents the initial work on chemical functionalization of the pigment Vat Orange 3. The 4,10-dibromoanthanthrone unit was used as a versatile substrate in order to tune the optoelectronic properties by multiple functionalization strategies. The bandgap and redox properties were controlled over a wide range. In the 5th chapter, the functionalization of the anthanthrone scaffold was further extended at the 6,12-positions with amines and imines. The optoelectronic and packing properties of the anthanthramine core were modulated via N-functionalization with an easily thermally removable N-Boc protecting group. The effect of local aromaticity on π-conjugation was also evaluated. Chapter 6 presents the synthesis of a family of cruciform anthanthrene derivatives for a structure-properties relationship study. This study allowed the determination of the most effective π-conjugation pathway along the 6,12-axis. The potential of anthanthrene derivatives as p-type semi-conductors for organic field effect transistors and solar cells was assessed in chapter 7. A conclusion and perspective of the past and future work is presented in the final chapter.

La génération de signaux microondes à grande pureté spectrale est fondamentale pour différentes applications (systèmes RADAR, échantillonnage large bande). L’optique propose des solutions prometteuses pour la montée en fréquence des d’oscillateurs à bas bruit de phase. L’objectif de cette thèse est d’étudier différentes configurations d’oscillateurs optoélectroniques (OEO) à 10 GHz. Pour cela, nous avons développé puis validé expérimentalement un modèle décrivant le bruit de phase, que nous avons ensuite étendu aux OEOs à boucles multiples. Cet outil unique nous a permis de concevoir un OEO à double boucles à l’état de l’art avec un encombrement réduit (premier mode parasite avec un niveau de bruit de phase de -146 dBc/Hz à 187 kHz de la porteuse). Nous avons également étudié des OEOs à amplification optique qui permettent de lever les verrous associés aux amplificateurs RF lors de la montée en fréquence (contribution de bruit et bande passante) tout en conservant d’excellentes performances. Enfin, nous nous sommes intéressés aux oscillateurs optoélectroniques couplés (COEOs), qui associent un laser à verrouillage de modes à un OEO. Nous avons modélisé le bruit de phase du laser en tenant en compte pour la première fois la non-orthogonalité des modes de la cavité, puis initié un modèle pour le COEO. Après une étude expérimentale des paramètres clef, nous avons réalisé un COEO proche de l’état de l’art, dont le bruit phase au voisinage de la porteuse est amélioré par rapport aux OEOs pour des longueurs de boucle plus courtes. / High purity microwave signal generation is required in various applications (RADAR systems, wideband sampling). For high frequency operations, optics offer promising solutions to generate low noise oscillators. The objective of this thesis consists in studying various optoelectronic oscillator (OEO) configurations at 10 GHz. We first worked on a phase noise model and its experimental validation, further extended to multiple loop OEOs. This comprehensive model allowed the design of a state-of-the-art dual loop OEO with consideration to its compactness (first spur located at 187 kHz from the carrier with a phase noise level of 146 dBc/Hz).We then focused on all photonic gain OEOs to get rid of RF amplifiers whose bandwidth and noise contributions are a limit for high frequency operations. Finally, we studied coupled optoelectronic oscillators (COEOs) which may simply be described as a combination of a mode locked laser and an OEO. We worked on a phase noise model for active and harmonically mode locked laser taking into account for the first time the non-orthogonality of the cavity modes. This model is the basis to a COEO model we began to develop. After experimentally determining key parameters, we designed and optimized a low noise COEO exhibiting a close-to-carrier phase noise similar to the state-of-the-art.

Les films minces à matrice diélectrique contenant des nanocristaux de Si peuvent avoir diverses applications potentielles telles qu'en nanoélectrique pour la conception de dispositifs à mémoire ou en optoélectronique dans la mise en oeuvre de cellules photovoltaïques à haut rendement ou l'élaboration d'un laser à base de silicium. Dans un premier temps, nous avons employé l'ellipsométrie spectroscopique pour décrire les propriétés optiques des films de nitrure de silicium enrichi en silicium (SRSN), essentiellement élaborés par dépôt chimique en phase vapeur puis soumis à un recuit thermique rapide (RTA). Nous avons montré qu'il est possible de prédire à l'aide d'un critère purement optique la détection, au microscope électronique en transmission, des nanoparticules de Si (NP-Si) dans les couches SRSN. Le recuit de type RTA conduit à la formation de fortes densités de nanoparticules de Si dans les couches composites SRSN. Les propriétés optiques des NP-Si ont été calculées par trois méthodes différentes : inversion numérique longueur d'onde par longueur d'onde (sans aucun paramètre d'ajustement), et modèles de dispersion de Forouhi-Bloomer et Tauc-Lorentz (avec 5 paramètres d'ajustement). L'évolution des paramètres de cette dernière formule révèle la présence de silicium amorphe confiné dans nos couches. Nous avons également mis en évidence le rôle déterminant du rapport des flux de gaz précurseurs RQ (=QNH3/QSiH4) ainsi que de la température de recuit Tr sur les propriétés optiques des films SRSN mais aussi des NP-Si qu'ils contiennent. En effet une légère augmentation de RQ induit une variation significative du spectre de la fonction diélectrique des NP-Si... / Thin composite films containing Si nanocrystals within a dielectric matrix may have several potential applications such as in nanoelectronics for the design of memory devices or in optoelectronics in view of the implementation of high-efficiency solar cells or the development of a silicon-based laser. Initially, we used spectroscopic ellipsometry in order to describe the optical properties of silicon-rich silicon nitride films (SRSN), mainly produced by chemical vapor deposition and thereafter subjected to rapid thermal annealing (RTA). We showed that the presence of Si nanoparticles (Si-NPs), that are observable by transmission electron microscopy, can be predicted by using a purely optical criterion. The RTA annealing leads to the formation of high densities of Si nanoparticles in the composite films. The optical properties of the Si-NPs have been calculated by three different methods: wavelength-by-wavelength numerical inversion (without any fitting parameters). The evolution of the parameters of this latter formula reveals the presence of confined amorphous Si-NPs in the investigated samples. We also highlighted the role of the flows ratio of the precursor gases RQ (=QNH3/QSiH4) and the annealing temperature TR on the optical properties of both the films and the Si-NPs they contain. Indeed a slight increase in RQ induced a significant variation in the spectrum of the dielectric function of the Si-NPs. On the other hand, the influence of the annealing temperature is noticeable beyond 950°C, and results in an increase of the amplitude and a reduction of the broadening of the...

La structure traditionnelle d'un oscillateur optoélectronique (OEO) s'appuie sur une boucle de fibre optique très longue, servant de ligne à retard et lui conférant la grande pureté spectrale, ou le très faible bruit de phase de l'oscillateur. Un tel oscillateur fonctionnant à la fréquence de 8 GHz a été mis en œuvre aux laboratoires SATIE/LPQM de l'ENS Cachan. Néanmoins un tel système présente des inconvénients comme les dimensions un peu grandes, la difficulté de contrôler la température et un large peigne de fréquences parmi lequel il est difficile d'extraire un seule mode. Il est en fait possible d'éliminer ses inconvénients en remplaçant la boucle de fibre par un micro-résonateur optique de grand facteur de qualité. Dans cette thèse deux types résonateurs ont été fabriqués et étudiés. Des microsphères ont été fabriquées à partir de fibres optiques de fibres optiques monomodes. Les modes de galeries de ces résonateurs sont caractérisés grâce à couplage avec une fibre effilée. L'étude expérimentale met en évidence un facteur de qualité pouvant atteindre une valeur de 106 et un intervalle spectral libre (FSR) dépendant du diamètre de la sphère. Ainsi pour un diamètre de 300 µm on obtient un FSR de 0,2 nm soit 25 GHz en fréquence. Mais pour un OEO fonctionnant à la fréquence de 8 GHz il faudrait un FSR plus petit et donc une sphère dont le diamètre serait de taille millimétrique, donc très difficile à fabriquer. Un autre type de résonateur, en forme d'hippodrome, a été conçu et étudié. L'étude expérimentale a été conduite par un couplage avec de fibres lentillées. Le spectre en transmission présente des pics de résonances avec un facteur de qualité moyen de 0,050 ± 0.003 nm (correspondant en fait à 6 GHz) sur une plage de longueurs d'onde allant de 1534 nm à 1610 nm. Les caractéristiques les plus intéressantes de ce résonateur en forme d'hippodrome sont un facteur de qualité élevé et un intervalle spectral libre tout à fait en accord avec les besoins de l'OEO étudié. Néanmoins le couplage avec les fibres lentillées induit des pertes optiques trop importantes pour satisfaire aux conditions d'oscillations. Les travaux futurs devront porter sur l'amélioration du couplage ainsi que sur l'asservissement des pics de résonnance du micro-résonateur sur la longueur d'onde du laser employé dans l'OEO. / The classical structure of an Opto-Electronic Oscillator (OEO) is based on a long fiber loop acting as a delay line and leading to the high spectral purity, or very low phase noise, of the oscillator. Such an OEO has been developed in SATIE/LPQM laboratory at ENS Cachan, operating at 8 GHz frequency. However, this system has some main disadvantages such as a bulky size, the difficulty to control temperature and a wide range of peaks among which it is difficult to select only one mode. In order to eliminate these disadvantages, high quality factor optical resonator can be used instead of the optical fiber loop. In this thesis, two resonator structures are produced and investigated. Microspheres are fabricated based on optical single mode fiber. Whispering gallery modes of these resonators are characterized by tapered fiber –resonator coupling. The experimental results show that the quality factor of the microsphere is up to 106 and FSR depends on the diameter of the resonator. A microsphere with a diameter of 300 µm, presents a FSR of 0.2 nm corresponding to a frequency of 25 GHz. However, for an OEO system which should work at 8 GHz, microsphere with a smaller FSR or with diameter of some millimeters should be fabricated- that is really difficult to obtain. Another add/drop racetrack resonator is designed and investigated. Optical experimental behavior of racetrack is characterized via fiber micro-lens coupling. The transmission spectrum shows resonance dips with average quality factor of 105 and a small FSR of 0.050 ± 0.003 nm (actually corresponding to 6 GHz) for a scanning wavelength range from 1534 nm to 1610 nm. The most promising features of the racetrack resonator are its high quality factor, and its free spectral range, which give it the high suitability for being used in the OEO system. Nevertheless the coupling with fiber lens leads to high losses and it is not possible to fulfill the oscillation conditions. Future work should be conducted for improving the coupling and for controlling the resonance dips position in agreement with the wavelength of the laser used in the OEO.