Šioje disertacijoje teoriškai ir eksperimentiškai tiriamas erdvinių šviesos darinių formavimasis didelės apertūros monolitiniuose parametriniuose šviesos generatoriuose (PŠG), nagrinėjamos fotoninių kristalų (FK) rezonatorių erdvinės dispersijos savybės. Darbas susideda iš įvado, literatūros apžvalgos ir dviejų pagrindinių dalių. Pirmoje dalyje aprašomas PŠG tyrimas didelės apertūros (5x5x1,5 mm) BBO I fazinio sinchronizmo tipo kristalo monolitiniame mini rezonatoriuje. Generatoriui kaupinti naudojami antros Nd:IAG lazerio harmonikos (532 nm) 13 ns trukmės ir 7-15 mJ energijos impulsai. Erdviniai šviesos dariniai registruojami artimajame ir tolimajame laukuose. Eksperimentiškai parodoma ir teoriškai interpretuojama, kad tokio rezonatoriaus emisija gali būti kūginė ir daugiakūgė, o signalinės ir skirtuminės bangų kryptys gali būti valdomos keičiant kampą tarp rezonatoriaus optinės ašies ir kaupinimo pluošto. Taip pat parodoma, kad dryžių erdvinio šviesos darinio formavimasis gali būti pasiekiamas injektuojant pagrindinio dažnio užkrato signalą. Antrojoje disertacijos dalyje pristatomi ir tiriami plokščiųjų veidrodžių Fabri ir Pero tipo rezonatoriai su vidine lūžio rodiklio moduliacija, atitinkančia vieną fotoninio kristalo (FK) išilginį periodą. FK rezonatoriai sukurti veidrodžių paviršiuje suformuojant 2 µm, 4 µm ir 15 µm periodinę lūžio rodiklio moduliaciją (t.y. suformuojant vienmatę arba dvimatę fazinę difrakcinę gardelę). FK rezonatorių kampinis pralaidumas matuotas... [toliau žr. visą tekstą] / This Ph.D. thesis contains experimental and theoretical analysis of nonlinear optical pattern formation in monolithic mini-cavity optical parametrical oscillators and spatial properties of linear photonic crystal resonators. The thesis consists of introduction, literature review and two chapters. In the first chapter experimental investigation of optical parametrical oscillation (OPO) in broad aperture monolithic (5x5x1.5 mm) BBO type I crystal mini-cavity is described. OPO was pumped by second harmonic (532 nm) 13 ns duration, 7 15 mJ energy pulses, of Nd:YAG laser. Optical patterns were registered in a near and far field of OPO emission. Experiments and theoretical interpretation revealed that emission of such resonator can be conical and multiconical and direction of signal and idler waves can be controlled by changing the mini-cavity orientation with respect to pump beam. It was also showed, that the stabilization of stripes (or roll) pattern can be achieved by a weak seed injection at subharmonic frequency and temporal spectrum of the stripe pattern degenerate OPO emission is 1/f – like noise spectrum . In the second chapter plane-mirror Fabry-Pérot resonators filled with a single period of photonic crystal (PhC) are introduced and analyzed. PhC resonators are realized by adding periodical 2 µm, 4 µm and 15 µm refraction index modulation on a resonator mirror surfaces (i.e. fabricating 1D or 2D phase diffraction grating). PhC resonator angular transmission measured by... [to full text]

Optical parametric frequency conversion based on quasi phase matching (QPM) in nonlinear optical crystals is a powerful technique for generating coherent radiation in wavelength ranges spanning from the mid-infrared (mid-IR) to the blue, displaying low thermal load and high efficiency.This thesis shows how QPM in one- (1D) or two-dimensional (2D) lattices can be employed to engineer novel devices for parametric downconversion in the IR, af-fording freedom in designing both spectral and angular properties of the parametric output. Experimental demonstrations of parametric devices are supported by theoreti-cal modelling of the nonlinear conversion processes.In particular, broadband parametric downconversion has been investigated in 1D QPM lattices, through degenerate downconversion close to the point of zero group-velocity dispersion. Ultra-broadband optical parametric generation (OPG) of 185 THz bandwidth (at 10 dB), spanning more than one octave from 1.1 to 3.7 μm, has been achieved in periodically poled 1 mol% MgO-doped near-stoichiometric LiTaO3 (MgSLT) of 25 μm QPM period, pumped at 860 nm. Such broadband gain is of high interest for ultrashort optical pulse amplification, with applications in high harmonic generation, ultrafast spectroscopy and laser ablation. Furthermore, the det-rimental impact of parasitic upconversion, creating dips in the OPG spectrum, has been investigated. By altering the pump pulse duration, energy can be backconverted to create peaks at the involved OPG wavelengths, offering a possible tool to enhance broadband parametric gain spectra.The engineering of the angular properties of a parametric output benefits greatly from 2D QPM, which is investigated in this thesis by the specific example of hexagonally poled MgSLT. It is demonstrated how two OPG processes, supported by a single 2D QPM device, can exhibit angularly and spectrally degenerate signals (idlers). This degeneracy results in a coherent coupling between the two OPG pro-cesses and a spectrally degenerate twin-beam output in the mid-IR (near IR). 2D QPM devices exhibiting such coherently coupled downconversion processes can find applications as compact sources of entangled photon-pairs. This thesis further illus-trates the design freedom of 2D QPM through the demonstration of a device support-ing multiple parametric processes, thus generating multiple beams from the mid-IR to the blue spectral regions. / <p>QC 20131204</p>

L'observation d'exoplanètes et plus généralement de l'environnement proche de jeunes étoiles représente une double difficulté observationnelle : la faible séparation angulaire entre l'étoile et la planète (ou son environnement tel qu'un disque protoplanétaire) et le contraste de flux. L'une des techniques permettant de surmonter ces difficultés est l'interférométrie en frange noire. Deux télescopes pointent un système étoile planète/disque et les pupilles sont recombinées de telle manière que les photons issus de l'étoile interfèrent destructivement alors que ceux issus de la planète/disque interfèrent constructivement. Les contraintes instrumentales sont très fortes pour garantir une extinction suffisante de l'étoile, tant en terme de différence de marche optique (de l'ordre du nanomètre) que d'équilibre photométrique (4% minimum pour obtenir un taux d'extinction de 40dB). La bande L (3.4 - 4.1μm) est adaptée à l'observation de matière froide, car le rapport de flux entre la planète (ou poussière stellaire) et son étoile présente un minimum de l'ordre de 10−4 après 3μm, ce qui rend la bande L particulièrement attractive pour ce genre d'observations. Parce que les silicates et le verre ne permettent pas de construire des guides atteignant la bande L, il n'existe pas aujourd'hui d'instrument mature fonctionnant dans cette bande en optique intégrée. En effet, les contraintes instrumentales concernant l'interférométrie annulante peuvent être relaxées en utilisant un interféromètre intégré monomode, grâce au filtrage modal. Un instrument interférométrique intégré en bande L serait donc le bienvenu, mais cela nécessite un effort technologique de développement pour mettre au point une méthode de production de guides monomodes en bande L ainsi que de recombineurs intégrés. Mon travail de thèse a consisté à développer de tels guides d'onde ainsi que des recombineurs permettant d'obtenir un taux d'extinction de 10−4 sur la bande L. Le matériau choisi est le Niobate de Lithium (LiNbO3) dont la transparence en infrarouge moyen en fait un parfait candidat. Nous avons utilisé deux méthodes pour fabriquer les guides : l'échange protonique et la diffusion de Titane. Cette dernière méthode permet de guider les deux polarisations T E et T M . Comme le Niobate de Lithium est électro-optique, nous avons aussi travaillé à piloter le retard de phase entre les voies interférométriques de manière intégrée, sans pièce mécanique mobile, en appliquant un champ électrique au niveau du guide via des électrodes "on chip". L'effet électro-optique nous permet non seulement de faire varier la différence de marche entre les voies mais aussi de régler l'équilibre photométrique, ouvrant la voie à la réalisation d'un interféromètre intégré complet, léger, compact et robuste. J'ai donc cherché à caractériser et optimiser l'efficacité électro-optique du système afin d'obtenir une tension de commande inférieure à 15V. Le résultat est un interféromètre de type Y présentant deux Mach-Zehnders en entrée pour le réglage des photométries et offrant un taux d'extinction de 33dB en lumière monochromatique à 3.39μm. Le pilotage électro-optique étant très rapide (> MHz), il devient alors possible de compenser les perturbations de phase induites par l'atmosphère (1kHz) en temps réel. Nous avons ainsi travaillé à construire un démonstrateur qui permet de compenser des retards de phases de l'ordre du kHz sans pièce mobile, garantissant, à 3.39μm, une différence de marche de l'ordre de 3nm. Nous avons aussi réalisé des coupleurs directionnels dont le taux de couplage peut être modulé via une tension de commande. L'application directe de cette technologie est un composant interférométrique 2TABCD ou 3TAC dont les défauts (déséquilibre des coupleurs) peuvent être corrigés par calibration. / The observation of exoplanets and more generally of the close environment of young stars represents an observational double difficulty : the small angular separation between the star and the planet (or its environment such as a protoplanetary disk) and contrast flux. One technique to overcome these difficulties is the nulling interferometry. Two telescopes target a star planet/disk system and the pupils are recombined in such a way that the photons from the star cause destructive interference while those from the planet/disk cause constructive interference. Instrumental constraints are very strong to ensure sufficient extinction of the star, both in terms of optical path difference (of the order of nanometers) than photometric balance (4% for a minimum extinction ratio 40dB). L-band (3.4-4.1μm) is adapted to the observation of cold matter, because the flux ratio between the planet (or star dust) and the star presents a minimum of 10−4 order after 3μm, making the L-band particularly attractive for such observations. Because silicates and glass are not suitable to build guides reaching the L-band, there is currently no mature instrument in this band in integrated optics. Indeed, instrumental constraints on nulling interferometry can be relaxed by using a single-mode interferometer integrated, thanks to modal filtering. An interferometric instrument integrated L-band would be more than welcome, but needs a technology development effort to develop a method of producing L-band single-mode guides as well as integrated beam combiners. My PhD work was to develop such single mode waveguides as well as beam combiners in order to ob- tain an extinction ratio of 10−4 in the L-band. The selected material is lithium niobate (LiNbO3), the mid-infrared transparency makes it a perfect candidate. We used two methods to make the guides : proton exchange and Titanium diffusion. This latter allows to guide both TE and TM polarizations. As Lithium Niobate is electro-optic, we also worked to internally control the phase delay between channels without mobile mechanical part, applying an electric field at the guide via electrodes "on chip". The electro-optical effect allows us to not only vary the optical path delay between channels but also to settle the photometric balance, paving the way towards the realization of an integrated complete interferometer, lightweight, compact and robust. I therefore sought to characterize and optimize the electro-optical efficiency of the system to obtain a command voltage lower than 15V. The result is a "Y" interferometer presenting two Mach-Zehnders as input for photometric adjustment and offering an extinction ratio of 33dB in monochromatic light (3.39μm). Because the electro-optical drive is very fast (> MHz), it becomes possible to compensate for the phase perturbations induced by the atmosphere (1kHz) in real time. We have worked to build a demonstrator which compensates phase delays of the order of kHz without mechanical mobile part and which guarantees, at 3.39μm, an optical path delay around 3nm. We also realized directional couplers whose coupling ratio can be adjusted via a control voltage. The direct application of this technology is an interferometric component 2TABCD or 3TAC whose defects (unbalanced couplers) can be electrically corrected by calibration.

Cette thèse est consacrée au développement de dispositifs accordables sur la base de cristaux photoniques unidimensionnels qui peuvent supporter des ondes de surface de Bloch (BSW). Tout d'abord, nous explorons les possibilités de contrôler la direction de propagation des BSW par le biais de la polarisation de la lumière incidente. Dans ce cas, nous gravons sur le dessus du cristal photonique 1D des structures passives de type réseau, qui permettent à la fois de coupler la lumière incidente aux BSWs et de se comporter comme une lame séparatrice ultracompacte contrôlée par la polarisation lumineuse. Nous avons testé ce type de coupleur sur des cristaux photoniques 1D fonctionnant dans l’air et dans l’eau. Ensuite, nous démontrons l'accordabilité des BSWs en ajoutant une fine couche active dans la structure photonique multicouche. Il s’agit d’un film mince de niobate de lithium monocristallin qui permet d’introduire des propriétés anisotropes dans le cristal photonique 1D. Différentes façons de fabriquer des cristaux photoniques 1D contenant du niobate de lithium monocristallin ont été développées dans le cadre de ce travail. Ces travaux nous ont permis d’explorer le concept de contrôle électro-optique des BSWs. / This thesis is devoted to develop tunable devices on the base of one-dimensional photonic crystals (1DPhC) which can sustain Bloch surface waves (BSWs).First, we explore the possibilities to control the BSW propagation direction with polarization of incident light. In this case we manufacture additional passive structures such as gratings on the top of the 1DPhC, which are working both as a BSW launcher and polarization–controlled “wave-splitters”. We test this type of launcher in air and in water as an external medium. Then, we demonstrate the tunability of the BSW by adding an active layers into the multilayer stack. Here a crystalline X-cut thin film lithium niobate (TFLN) is used to introduce anisotropic properties to the whole 1DPhC. Different ways to manufacture 1D PhCs with LiNbO3 on the top would be described. Finally, we explore the concept of the electro-optically tuned BSW.

Orientador: Hugo Enrique Hernández Figueroa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-16T13:53:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MalheirosSilveira_GilliardNardel_M.pdf: 3128908 bytes, checksum: 81e325450d7a5eff14ab074c7716b862 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Esta dissertação aborda a modelagem e análise de Dispositivos Fotônicos e de RF via códigos home-made e comerciais baseados no método dos elementos finitos (MEF) e, em alguns casos, resolução de problemas inversos com auxílio de AG. Primeiramente é feita uma breve revisão sobre elementos finitos e AG, bem como alguns fenômenos eletromagnéticos voltados às aplicações estudadas. Os estudos de problemas fotônicos abordaram dois problemas gerais: Otimização da banda fotônica proibida absoluta em cristais fotônicos bidimensionais e propostas de fibras de cristais fotônicos (PCFs, Photonic Crystal Fibers) voltadas para aplicações não-lineares e compensação de dispersão. Algumas dessas análises envolveram a resolução de problemas inversos via AG; em que foi proposta uma codificação com certa generalização para problemas envolvendo PCF. As propostas envolvendo RF abordaram antenas para etiquetas RFID (Radio Frequency Identification). Foi explorado o comportamento dual-band a partir de uma antena do tipo dipolo modificada. / Abstract: This dissertation addresses the modeling and analysis of photonic and RF devices by home-made and commercial codes based on the finite element method (FEM). In some cases, inverse problems have been solved with the aid of genetic algorithms (GA). In the introduction a brief review of finite elements and GA are presented as well as some electromagnetic phenomena related with the applications here analyzed. Concerning the photonic problems, our studies were restricted to two general problems: Optimization of absolute photonic band gap in two-dimensional photonic crystals and the proposal of photonic crystal fibers (PCFs) aimed for non-linear and dispersion compensation applications. Some of the analysis involved the solution of inverse problems by means of GA, where, a codification with some generalization to problems involving PCFs was proposed. The proposals involving RF antennas for RFID (radio frequency identification) tags included the study of modified dipole antennas with dual-band operation. / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

La microscopie en champ proche optique permet d'analyser les phénomènes optiques avec une résolution spatiale sublongueur d'onde comme par exemple la localisation et la propagation de la lumière dans des cristaux photoniques. D'une manière générale, les méthodes de microscopie en champ proche optique reposent sur le positionnement à l'échelle nanométrique d'une sonde locale à proximité de l'échantillon à analyser, puis sur la détection du signal diffusé et collecté lors du balayage de la sonde. En fonction du type de détection optique mise en oeuvre ou du type de sonde utilisée, les grandeurs physiques communément accessibles par ces méthodes sont les distributions spatiales de l'amplitude et de la phase ou de l'intensité des composantes électriques ou magnétiques du champ sondé.Ce travail de thèse est consacré à la mise en place d'une détection hyperstectrale en champ proche optique dans le but de comprendre et de caractériser, à des échelles sublongueurs d'onde, les propriétés spectrales et spatiales de systèmes optiques miniaturisés. L'imagerie hyperstectrale fournit en une seule acquisition, une série d'image à chaque longueur d'onde dans les gammes spectrales visibles, infrarouges et aux longueurs d'onde des télécommunications optiques. Cette nouvelle technique d'imagerie a permis l'observation, sur une large bande spectrale, de phénomènes électromagnétiques dépendant de la longueur d'onde tels que les effets superprisme et mirage dans les cristaux photoniques et la mise en forme de faisceaux de Bessel plasmoniques / The scanning near-field optical microscopy (SNOM) is used to analyze optical phenomena at the sub-wavelength scale such as light localization and propagation in photonic crystals or plasmonic devices. In any case, SNOM experiments rely on the positioning of a local probe in the optical near field of a given structure and on the detection of the surrounding evanescent waves. Depending on the nature of the probe or on the optical detection method, the detected physical properties are the spatial distributions of the amplitude and phase or the intensity of the electric and magnetic components of the probed field. We present here the implementation of an innovative hyperspectral near-field imaging method which aims to detect both spectral and spatial properties of an optical nanosystem at the subwavelength scale. The presented method provides a batch of images over a broad spectral range at visible; near-infrared and telecommunication wavelengths. Using this technique, we report here the near-field observations through the spectrum of the emblematic electromagnetic phenomena involved in photonic crystals and plasmonics such as light waveguiding, trapping or beam shaping

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

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.

Le présent travail de thèse a été effectué dans le cadre du projet CPER-FEDER MATISSE, projet coordonné par l’UTT regroupant deux autres partenaires : Nanovation et l’URCA. Le projet avait pour ambition la croissance des couches minces de ZnO de haute qualité et leur valorisation.Le ZnO cristallin est un semiconducteur à grand gap avec d’excellentes propriétés optiques. Son énergie de liaison excitonique de 60meV est l’une des caractéristiques qui lui valent tant d’attention malgré sa difficile gravure physique qui hypothèque la réalisation de composants photoniques compacts. En effet, la longueur d’onde d’émission du ZnO est de l’ordre de 375nm, impliquant l’utilisation de structures de petite taille dont la réalisation relève des nanotechnologies.Trois objectifs scientifiques ont été poursuivis : l’amélioration de l’extraction de l’émission excitonique dans les couches minces de ZnO par ingénierie de gap en utilisant les cristaux photoniques, l’émission laser et son contrôle et enfin, le transfert d’énergie du ZnO vers les QDots comme couche de phosphores pour la conversion de l’émission UV en lumière blanche. Pour y parvenir, deux technologies ont été utilisées : la croissance PLD (Nanovation) et la structuration par approche top-down délaissée par la communauté scientifique.La thèse traite de la structuration par lithographie électronique combinée à la gravure RIE-ICP et les études scientifiques associées. Les résultats obtenus sont concluants avec parfois des records comme pour le gain (>1000cm-1) et les pertes optiques (<10cm-1). Nous avons également procédé à la réalisation des premiers composants optoélectroniques : laser MIS et photodétecteur MSM / This work was conducted in the framework of the MATISSE project supported by the CPER-FEDER. Coordinated by UTT and including two other partners: Nanovation and URCA, the main project objective was the growth of high quality ZnO thin films and their valorization.ZnO is a wide band gap semiconductor with excellent optical properties. Its exciton binding energy (60meV) is one of the most important characteristics that earned to ZnO more attention despite its physical etching which is difficult to perform. Indeed, the excitonic emission of ZnO occurs approximately at 375nm, which involves the use of small structures whose achievement leads to the use of nanotechnology.Three scientific objectives were pursued: improving the extraction of the excitonic emission in ZnO thin films by engineering the photonic band gap by using photonic crystals, laser emission and control and finally, energy transfer from ZnO to QDots used as phosphors for down conversion of the UV emission to white emission. To achieve this, two technologies were used: PLD growth (Nanovation) and top-down structuring approach neglected by the scientific community.The thesis mainly deals with the structuring by electron beam lithography combined with ICP - RIE and related scientific studies. Conclusive results have been obtained such as high optical gain (>1000 cm-1) and low optical losses (<10 cm-1). We also carried out first optoelectronic components: MIS laser and MSM photodetector

Thermal radiation is a fundamental heat transfer process, with certain basic aspects still not fully understood. Furthermore, tailoring its properties has potential to affect a wide range of applications, particularly thermophotovoltaics (TPV) and radiative cooling. TPV converts heat into electricity using thermal radiation to illuminate a photovoltaic diode, with no moving parts. With its realistic efficiency limit up to 50% (heat source at 1200 ^oC), TPV has garnered substantial interest. However, state-of-the-art TPV demonstrations are still well below theoretical limits, because of losses from generating and efficiently converting or recycling thermal radiation. In this thesis, tailored integrated photonic crystal structures are numerically simulated to enhance the efficiency of solar TPV. Next, a high-temperature thin-film Si-based selective absorber and emitter is designed, fabricated and experimentally characterized. It exhibits great potential to open up new applications, as it lends itself to large-scale production with substantial mechanical flexibility and excellent spectral selectivity for extended time periods, even when operating under high operating temperatures (600 ^oC) for up to 6 hours, with partial degradation after 24 hours. To perform this high-temperature characterization, an emittance measurement setup has been built; its performance agrees well with numerical simulations. Second, a unique passive cooling mechanism known as radiative cooling is developed to reduce the operating temperature of the photovoltaic diode. The significant effect of radiative cooling as a complement for an all-passive-cooling TPV system is proposed and numerically analyzed under a range of conditions. Furthermore, an outdoor experiment has been performed to demonstrate the effect of radiative cooling on a concentrating photovoltaic system, which can potentially be applied to the thermal management of a TPV system. In summary, this work paves the way towards the development of reliable, quiet, lightweight, and sustainable TPV and radiatively cooled power sources for outdoor applications.