Aujourd’hui, l’amélioration des fréquences de coupure des transistors MOS et bipolaires ouvre la voie à de nouvelles applications THz (communication et imagerie au-delà de 110 GHz). Des méthodologies de test concernant la caractérisation en bruit hyperfréquence des transistors jusque 170 GHz ont été mises en place dans la cadre du laboratoire commun entre STMicroelectronics et l’IEMN. Cependant, une des limitations principales à la conception d’un outil de caractérisation en bruit au-delà de 170 GHz est le manque de source de bruit état-solide à ces fréquences. Cette thèse propose un nouveau type de source de bruit aux fréquences millimétriques pouvant fonctionner au-delà de 170 GHz, basée sur une solution photonique intégrée sur silicium. Cette source de bruit photonique repose sur l’éclairage d’une photodiode en germanium sur silicium par une source optique qui sera alors convertit en un bruit blanc électrique. / Today high frequency MOS and bipolar transistors are opening new opportunities for THZ applications (communication and imagery beyond 110 GHz). High frequency noise characterization test methodologies up to 170 GHz have been set up in a shared collaboration between STMicroelectronics and IEMN laboratory. Nevertheless, one of the most important limitations of noise characterization above 170 GHz is the solid-state noise source lack at these frequencies. This study proposes a new concept of noise source working at millimeter wave frequencies above 170 GHz, based on a photonic integrated on silicon solution. This photonics noise source concept relies on a Germanium-on-Silicon photodiode lighted by an optical source and converting it into an electrical noise.

Silicon with its mature integration platform has brought electronic circuits to mass-market applications; silicon photonics will most probably follow this evolution. However, there are still many technological challenges to be addressed in order to realize silicon photonics technology. One of the key challenges is building a complete design environment interfaced with standard EDA tools; as in microelectronics, this would enable the creation of photonic libraries and photonic IP blocks. In this study, we focus on developing a physical verification (PV) flow for the silicon photonics technology.There are a number of components from the traditional CMOS IC physical verification world that can be borrowed. All, however, will require some modification due to the distinct nature of photonic circuits. We study the photonic circuit PV requirements, in comparison with those for traditional IC designs. The most significant limitation of current PV tools is to handle non- Manhattan layout designs. We adapt industrial standard PV tools to perform efficient and reliable design rule checking (DRC) that validates non-Manhattan like layout. We also propose methodologies and develop a layout versus schematic (LVS) checking flow specific to the non- Manhattan characteristics and photonic circuit verification requirements. The flow is capable of verifying photonic circuit layout implementation (or even manufactured silicon) with regard to the intended design. The developed flows are demonstrated with Mentor Graphics Pyxis design environment and Calibre® PV tool suit. As generic methodologies, they can also be in principle adopted in other EDA tool environments in order to verify the physical implementation of the photonic designs. Such a PV flow is essential for bringing the silicon photonics technology onto the real CMOS streamline. / La plate-forme d'intégration silicium est arrivée à maturité, et a amené les circuits intégrés électroniques (IC) aux applications du marché de masse ; la photonique sur silicium va suivre probablement cette évolution. Pourtant, il y a encore de nombreux défis technologiques à relever pour réaliser la technologie photonique sur silicium. Parmi les principaux défis, il est essentiel de se concentrer sur la construction d'un environnement de conception complet interfacé avec les outils EDA standards ; comme dans la microélectronique, il permettrait la création de librairies photoniques et des blocs IP photoniques. Dans cette étude, nous nous concentrons sur l’adaptation et le développement du flot de vérification physique (PV, ou « physical verification ») pour la conception photonique sur silicium.Il y a un certain nombre de concepts de PV existant pour le CMOS traditionnel qui peuvent être empruntés. Tous, cependant, nécessiteront quelques modifications en raison de la nature distincte du circuit photonique. Nous étudions les exigences de PV pour les circuits photoniques, en comparaison avec celles de la conception de circuits intégrés traditionnels. La limitation la plus importante des outils de PV actuels est de traiter les layout « non-Manhattan ». Nousadaptons des outils industriels standards pour effectuer un « design rule checking » (DRC) efficace et fiable qui valide les layout non-Manhattan. Nous proposons également des méthodologies et développons un flot « layout versus schematic » (LVS) spécifique aux caractéristiques non-Manhattan et aux exigences de vérification de circuits photoniques. Le flot est capable de vérifier le layout du circuit photonique (ou même le silicium fabriqué du circuit) en ce qui concerne la conception cible. Les flots développés sont démontrées avec les outils de Mentor Graphics – Pyxis (l’environnement de dessin) et Calibre® (les outils de PV). Comme les méthodologies génériques, ils peuvent aussi être en principe adoptés dans d'autres outils EDA afin d'effectuer la vérification de la réalisation de la conception du circuit photonique. Un tel flot de PV est essentiel pour amener la technologie photonique sur silicium sur la ligne de production réelle de CMOS.

Ce mémoire porte sur la conception de lasers hybrides jumelant les bres optiques à la photonique sur silicium. L'objectif principal est de réaliser un laser polyvalent au niveau de ses paramètres d'émission et permettant en plus d'offrir des performances intéressantes pour les communications optiques. Plusieurs approches menant à l'intégration laser sur la plateforme de photonique sur silicium ont été démontrées. Contrairement aux approches d'intégration qui visent à produire une source la plus compacte qui soit, l'approche choisie vise à réaliser un laser performant qui exploite à la fois les performances d'amplication optique des bres dopées ainsi que le potentiel de traitement optique qu'offre la plateforme de photonique sur silicium. Le principe de fonctionnement de même que les modèles théoriques de différentes structures optiques accessibles grâce à la plateforme de photonique sur silicium sont présentés en détail. Ces structures, permettant le guidage optique à l'échelle nanoscopique de même que la manipulation de la lumière, sont des éléments clés pour la conception de ltres optiques pour les cavités laser. Les performances d'un ltre Vernier sur silicium sont analysées grâce à des simulations numériques. Deux types de lasers hybrides accordables sont présentés dans ce document : celui d'un laser multimodes opérant à 1.55 µm et permettant une sélection de l'espacement spectral entre ses modes et celui d'un laser monomode opérant à 2 µm et accordable sur une large plage spectrale. Dans le premier cas, le milieu d'amplication de la cavité est composé d'une bre optique dopée à l'erbium tandis que dans le second, il s'agit d'une bre dopée au thulium. Les différents éléments de la cavité sont modélisés et leurs performances sont simulées à l'aide d'outils numériques. Enn, les performances expérimentales des lasers sont mesurées en laboratoire. / This master's thesis is on the design of a hybrid laser combining optical bers and the technology of silicon photonics. The main objective is to achieve a laser with great control and exibility over its emission parameters and with good performances for the eld of optical telecommunications. Until now, several approaches leading to laser integration on the silicon photonics have been demonstrated. Unlike integration approaches which aim to produce the most compact source possible, the chosen approach aims to produce a high-performance laser which exploits both the optical amplication performance of the doped bers as well as the potential of light processing and precision that oers the silicon photonic platform. The operating principle as well as the theoretical models of dierent optical devices accessible thanks to the silicon photonics are presented in detail. These devices allowing optical connement at the 100-nanometer scale level as well as the manipulation of light are key elements in the design of optical lters for the laser cavity. The performances of a Vernier lter on silicon are analyzed by means of numerical simulations. Two types of hybrid lasers are presented in this document. The rst is a multimode laser allowing a selection of the spectral spacing between its modes. The second type of laser is a single-mode laser operating at 2000 nm and tunable over a range of 100 nm. In the rst case, the amplication medium of the cavity is composed of an optical ber doped with erbium while in the second, it is a ber doped with thulium.

Dans cette thèse, trois approches différentes ont été étudiées pour des dispositifs photoniques accordables basés sur la technologie MEMS. Premièrement, la structure à double barrière optique a été étudiée numériquement et expérimentalement, sous forme de commutateur thermo-optique, polariseur commutable et de jonctions tunnel optiques intégrées en tant que système WDM reconfigurable. Le dispositif est fabriqué sur substrat silicium SOI utilisant le procédé de gravure profonde. Les dispositifs optiques tunnel sont contrôlés électro-thermiquement, le temps de commutation mesuré correspondant est de plusieurs microsecondes. Deuxièmement, des structures de propagation de lumière lente à base de méta matériaux constitués de cellules unitaires sous forme d’anneaux fendus couplés, sont numériquement analysés. Les résultats des simulations montrent que la conception de SRRs (Split Ring Resonator) couplés améliore l'accordabilité de la permittivité et de la perméabilité effectives de 70 et 200 fois, respectivement. On peut trouver des applications potentielles dans le stockage de données, des circuits photoniques, les communications optiques et les biocapteurs. Enfin, un méta matériau accordable magnétique est démontré en utilisant la technologie MEMS. Il démontre une approche unique pour contrôler les propriétés optiques des méta matériaux par l'évolution des dimensions géométriques et les formes des cellules unitaires / In this PhD project, three different approaches have been studied for tunable photonic devices based on MEMS technology. First, the optical double barrier structure has been numerically studied and experimentally demonstrated as the thermo-optical switch, switchable polarizer and optical tunneling junctions integrated as reconfigurable WDM system. Second, the slow light structure using metamaterial with coupled split ring unit cells is numerically analyzed. Finally, a tunable magnetic metamaterial is demonstrated using MEMS technology. The first major work is to use the optical tunneling effects to design MEMS based photonic devices. Three different tunable photonic devices has been demonstrated using thermo-optical tuning. a thermo-optic switch is realized using MEMS technology. The device is fabricated on silicon-on-isolator wafer using deep etching process. The transmission of the optical switch is controlled by the optical length of the central rib which is thermally controlled by the external pumping current. In experiment, it measures a switching speed of 1 us and an extinction ratio of 30 dB. A switchable polarizer is demonstrated using the double optical barrier structure which transmit the light with one polarization state and filter out the others. In experiment it measures a PER of lager than 23 dB when the pumping current is above 60mA. The switching time is shorter than 125 us which is limited by the polarization analyzer used in the experiment. A MEMS reconfigurable add-drop multiplexer is realized by applied the optical tunneling structure to the ribbed waveguide. The tunable add-drop multiplexer is based on Y-shape optical double barriers tunneling junction which are realized by MEMS technology

Les réseaux de neurones artificiels constituent des systèmes alternatifs pour effectuer des calculs complexes, ainsi que pour contribuer à l'étude des systèmes neuronaux biologiques. Ils sont capables de résoudre des problèmes complexes, tel que la prédiction de signaux chaotiques, avec des performances à l'état de l'art. Cependant, la compréhension du fonctionnement des réseaux de neurones dans la résolution de problèmes comme la prédiction reste vague ; l'analogie avec une boîte-noire est souvent employée. En combinant la théorie des systèmes dynamiques non linéaires avec celle de l'apprentissage automatique (Machine Learning), nous avons développé un nouveau concept décrivant à la fois le fonctionnement des réseaux neuronaux ainsi que les mécanismes à l'œuvre dans leurs capacités de prédiction. Grâce à ce concept, nous avons pu imaginer un processeur neuronal hybride composé d'un réseaux de neurones et d'une mémoire externe. Nous avons également identifié les mécanismes basés sur la synchronisation spatio-temporelle avec lesquels des réseaux neuronaux aléatoires récurrents peuvent effectivement fonctionner, au-delà de leurs états de point fixe habituellement utilisés. Cette synchronisation a entre autre pour effet de réduire l'impact de la dynamique régulière spontanée sur la performance du système. Enfin, nous avons construit physiquement un réseau récurrent à retard dans un montage électro-optique basé sur le système dynamique d'Ikeda. Celui-ci a dans un premier temps été étudié dans le contexte de la dynamique non-linéaire afin d'en explorer certaines propriétés, puis nous l'avons utilisé pour implémenter un processeur neuromorphique dédié à la prédiction de signaux chaotiques. / Artificial neural networks are systems prominently used in computation and investigations of biological neural systems. They provide state-of-the-art performance in challenging problems like the prediction of chaotic signals. Yet, the understanding of how neural networks actually solve problems like prediction remains vague; the black-box analogy is often employed. Merging nonlinear dynamical systems theory with machine learning, we develop a new concept which describes neural networks and prediction within the same framework. Taking profit of the obtained insight, we a-priori design a hybrid computer, which extends a neural network by an external memory. Furthermore, we identify mechanisms based on spatio-temporal synchronization with which random recurrent neural networks operated beyond their fixed point could reduce the negative impact of regular spontaneous dynamics on their computational performance. Finally, we build a recurrent delay network in an electro-optical setup inspired by the Ikeda system, which at first is investigated in a nonlinear dynamics framework. We then implement a neuromorphic processor dedicated to a prediction task.

Dans cette thèse, des systèmes nano-opto-mécaniques (NOMS) sont explorés et deux composants nano-opto-mécaniques sont conçus, simulés, fabriqués et analysés. Premièrement, un générateur de moment angulaire composé d'un résonateur en anneau, un guide d'onde et un ensemble de nano-plots est conçu, analysé théoriquement et simulé. L'analyse théorique et les résultats numériques montrent qu'une série de champs tournants optiques (ROFs) sont générés lorsque différentes longueurs d'onde de résonance sont couplées dans le générateur. Par la suite, la force optique, le potentiel optique et le couple optique du ROF généré sont analysés théoriquement, simulés numériquement et discutés. Les distributions de forces optiques sont affectées par le ROF en fonction des ordres angulaires et des différents nano objets considérés. Les couples optiques sont analysés et discutés pour des objets différents, àsavoir les nano-particules sphériques, des nano-fils et un nano-rotor. Enfin, un système accordable de transparence induite par résonateurs couplés (Coupled-Resonator-Induced Transparency –CRIT), qui est entraîné par la force optique exercée entre le résonateur en anneau et le substrat, est conçu, analysé théoriquement, simulé,fabriqué et mesuré expérimentalement. Le système CRIT accordable est constitué d'un guide d'onde et de deux résonateurs en anneau couplés, dans lequel un anneau est fixe et l’autre libre de se mouvoir. Différentes puissances d'entrée produisent différentes forces optiques sur l'anneau libéré, qui produisent différentes déformations et changements de l'accumulation du champ optique, et ainsi différents décalages du spectre de transmission optique et une variation du retard de groupe / In this PhD thesis, the nano-opto-mechanical system (NOMS) is explored and two nano-opto-mechanical devices are designed, analyzed, simulated and fabricated. Firstly, an angular momentum generator consisting of a ring resonator, a wave guide and a group of nano-rods is designed, theoretically analyzed and simulated. The theoretic alanalysis and numerical results show that a series of rotating optical field (ROF) are generated when different resonant wave lengths are coupled into the generator. Subsequently, the optical force, the optical potential and the optical torque of the generated ROF are theoretically analyzed, numerically simulated and discussed. The optical force distributions are affected by the ROF with different angular orders and different objects. The optical torques are analyzed and discussed for different objects, i.e. spherical nano-particle, nano-wire and nano-rotor. Finally, a tunable coupled-resonator-induced transparency (CRIT) system, which is driven by the optical force between the ring resonator and the substrate, is designed, theoretically analyzed, simulated, fabricated and experimented. The tunable CRIT system consists of a bus wave guide and two coupled ring resonators, in which one is the released ring and the other is the fixed ring. Different input powers produce different optical forces on the released ring, which produce different final deformations, change the optical field buildup, shift the transmission spectrum and vary the group delay

Ce travail de thèse porte sur l'étude du couplage entre des boîtes quantiques (BQs) insérées dans des nanofils à semiconducteurs et des antennes plasmoniques. Un couplage efficace requiert une caractérisation complète des leurs propriétés optiques respectives, pour assurer un recouvrement spectral et spatial de l'émission de la boîte et du mode de l'antenne et l'alignement de la polarisation du mode plasmonique avec l'émission de la BQ.Les propriétés optiques d'antennes patchs plasmoniques circulaires ont été étudiées par cathodoluminescence (CL). Nous avons montré avec un modèle analytique de la densité locale d'états électromagnétiques (DLE) au voisinage des antennes que leurs résonances sont des superpositions de modes de Bessel d'ordre radiaux et azimutaux différents. Nous avons fabriqué et caractérisé des antennes mono et multimodes, et trouvé que la partie radiative de la DLE n'est pas la seule contribution au signal de CL. De plus, nous avons caractérisé des antennes de différentes épaisseur du plan diélectrique ou différents matériaux. L'analyse de ces résultats nous pousse à proposer une interprétation des contributions au signal de CL annexes à la partie radiative de la DLE supportée par l'antenne. Nous avons de plus démontré la fabrication d'antennes patchs en aluminium opérant dans la partie bleue du spectre électromagnétique, et appliqué la CL à d'autres géométries d'antennes.Nous avons également étudié différentes boîtes quantiques insérées dans des nanofils à semiconducteurs faits d'alliages de matériaux II-VI. Des émetteurs uniques sont étudiés par microphotoluminescence (µPL). Des mesures résolues en temps ou par microscopie de Fourier permettent une caractérisation spectrale, temporelle et la détermination de leur diagramme de rayonnement. Nous avons de plus mis en évidence les variations de propriétés optiques des émetteurs dues aux inhomogénéité de fabrication en étudiant un large ensemble de BQs. La modélisation complète des propriétés électroniques et optiques d'une boîte unique est proposée en utilisant la microscopie de Fourier résolue en polarisation, et une étape de spectroscopie magnéto-optique.Enfin, nous avons développé une méthode de lithographie électronique en deux étapes basée sur le repérage d'un émetteur unique par CL, permettant la fabrication d'antennes plasmoniques couplées de façon déterministe à des BQs insérées dans des nanofils. L'étude de ce couplage révèle un accroissement de l'absorption du faisceau d'excitation accompagné d'une accélération de l'émission de la boîte par couplage radiatif. Il en résulte une exaltation jusqu'à un facteur 2 de la µPL des boîtes. / In this work, we study the coupling between plasmonic nanoantennas and semiconducting nanowire quantum dots (NWQDs). This coupling requires spectral, spatial and polarisation matching of the antenna mode and of the NWQD emission. Hence, a full characterisation of both the antenna system and the NWQDs has to be performed to determine a relevant coupling geometry.Using cathodoluminescence (CL) we investigate the relation between the CL signal of circular patch plasmonic antennas and the electromagnetic local density of states (LDOS). The successive resonances supported by these antennas are complex superimpositions of Bessel modes of different radial and azimuthal order. Applying an analytical LDOS model, we show that we can fabricate and characterise antennas down to single mode resonances. However, the antennas CL spectrum goes beyond the radiative part of the LDOS. By changing the spacing layer thickness and the antennas materials, we propose an explanation for the origin of the additional CL signal we observe that is not related to the radiative LDOS of the patch antennas. We also demonstrate the fabrication of Al patch antennas working in the blue spectral range and apply our method to other geometries.We perform optical characterisation of different quantum dots (QDs) embedded inside semiconducting nanowires (NWs) made of II-VI materials. We use microphotoluminescence (µPL) to study the emission of single NWQDs. Time-resolved measurements and Fourier imaging allows us to extract their exciton lifetime and radiation patterns. The variability in the emission properties of the NWQDs due to inhomogeneity in the growth process are evidenced by studying a statistical set of nanowires. A complete model based on polarisation-resolved Fourier imaging and magneto-optical spectroscopy is detailed, allowing to fully determine the QD electronic and optical properties for an individual system.Finally, we develop a cathodoluminescence-based two-step electron-beam lithography technique to deterministically fabricate plasmonic antennas coupled to NWQDs, enhancing their µPL properties. The coupling results in an enhanced absorption of the pump laser inside the NW and in an increase of the radiative rate of the QD, leading to up to a two-fold intensity enhancement factor for the coupled system.

Ces travaux concernent la modélisation et la réalisation de fibres optiques micro-structurées, et plus particulièrement de fibres à bandes interdites photoniques actives et passives, à grande aire effective et destinées au transport ou à la génération de faisceaux lasers puissants.Une première partie du travail a porté sur l’étude d’une nouvelle géométrie de fibre micro-structurée - baptisée « fibre de Bragg pixélisée » - étudiée pour l’obtention d’un large cœur, monomode en pratique. Pour cette géométrie la fibre est rendue monomode en ajustant de façon optimale les distances entre les anneaux de haut indice de réfraction (condition dite demi-onde). Une première réalisation a permis de démontrer un diamètre de mode de 26μm à la longueur d'onde 1400nm dans une fibre passive. Un second aspect de ce travail a consisté en des études théoriques et expérimentales menées sur des fibres à bandes interdites photoniques présentant une gaine hétéro-structurée. Dans ces structures, la gaine comporte des résonateurs conçus pour éliminer les modes d’ordre supérieur par filtrage par les pertes. Des diamètres de mode allant de 19μm à 65μm ont ainsi été obtenus en régime monomode à 1050nm dans plusieurs fibres passives utilisées dans des bandes interdites photoniques différentes. Une fibre hétéro-structurée active a également été réalisée: le cœur, en silice pure dopée avec des ions ytterbium, a été obtenu via le procédé Sol-Gel. La fibre issue de cette réalisation a permis l’observation d’un effet laser avec une efficacité de 62.5%, pour un mode présentant un diamètre de 36μm. / These works concern the design and realization of micro-structured optical fibers, in particular, large mode area, active and passive, photonic bandgap fibers for high power laser beams generation and delivery. The first part of the work focused on the study of a new geometry of micro-structured fiber - so called "pixilated Bragg fiber" - in order to obtain a large, practically singlemode, core. For that geometry, the fiber is made singlemoded by optimizing the distances between the high index rings (Half wave stack condition). A first realization allowed to report a mode field diameter of 26μm measured at 1400nm wavelength in a passive fiber. The second aspect of this work included theoretical and experimental studies, of photonic bandgap fibers having a hetero-structured cladding. Specially designed resonators are added to the cladding of these fibers in order to eliminate higher order modes. Thus, 19μm to 65μm mode field diameters have been obtained in a singlemode regime at 1050nm wavelength for several passive fibers used in different bandgaps. An active fiber with hetero-structured cladding was also presented: the core was made of pure silica, ytterbium doped, synthesized using the Sol-Gel technique. The realized fiber allowed the observation of a laser emission with an efficiency of 62.5% and a mode field diameter of 36μm.

Nous étudions les propriétés photoniques dans le plan de monocouches de nanostructures auto-organisées. L'objectif de cette l'étude est d'appliquer les nanostructures auto-organisées pour la réalisation de cavités à cristaux photoniques (CP), et de nouvelles sources de lumière organiques. Le premier chapitre présente les opales et les opales-inverse réalisées à partir de nanoparticules auto-organisées et leurs propriétés optiques. Dans une deuxième partie, sont introduits les cristaux photoniques, leur physique et les outils numériques pour les quantifier. Le deuxième chapitre se concentre sur l'étude des propriétés photoniques de réseaux périodiques bidimensionnels de monocouches de nanoparticules diélectriques auto-organisées. La transmission optique dans le plan du cristal et l'existence de bandes interdites photoniques sont systématiquement étudiées en utilisant la méthode numérique des différences finies dans le domaine temporel en trois dimensions (3D FDTD). Les structures étudiées sont des monocouches de sphères diélectriques entourés d'air («opales») ou des sphères d'air entourées par un matériau diélectrique («opales inverses») en treillis triangulaire, avec et sans substrat de verre. Les bandes interdites photoniques (BIP) sont étudiées en fonction du contraste d'indice et de la compacité des sphères. Pour les structures sans substrat, la BIP est observée pour les faibles indices de réfraction des matériaux. Toutefois, la présence d'un substrat de verre réduit les BIP. Défaut microcavité conçu en opales et opales inverses sont alors pris en compte. Le meilleur facteur de qualité sont obtenus avec des inverses-opales lorsque la compacité (r/a ) est d'environ 0,32. Une expérience pour mesurer la propagation dans le plan dans des monocouches de opales est présentée. Dans le troisième chapitre de cette étude, nous présentons une nouvelle approche de nanostructuration bidimensionnelle qui utilise la photolithographie et des nanoparticules auto-organisée pour nanostructurer de diodes électroluminescentes organiques. Cette technique utilise la photolithographie classique, un photo masque réutilisable faits de micro nanoparticules auto-organisées, et une résine photosensible. Le masque est constitué de micro-sphères de SiO2 et de polystyrène monodisperses de taille sub-micronique déposées d'une manière auto-organisée sur un substrat de quartz. Le principe de fonctionnement est similaire à celui de la photolithographie classique, sauf que deux configurations peuvent être distingués : le mode contact-dure et le mode contact-doux. Dans la première configuration, chaque microsphère agit comme une lentille micro-boule qui focalise la lumière et expose la partie de la résine photosensible au-dessous d'elle. Le motif résultant reproduit l'agencement du réseau triangulaire des sphères avec la même période. Dans le mode de contact-doux un comportement de masque de phase est obtenu qui se traduit par des périodes de réseau égales à la moitié du diamètre de la sphère. La période de réseaux et le diamètre des trous les plus petits obtenus avec une source de lumière de 405 nm sont respectivement 750 nm et 420 nm. Finalement, cette nouvelle technique de structuration de motifs bidimensionelle est appliquée à la nanostructuration d'OLEDs. Comme exemple, des OLEDs nano-structurées avec des couleurs d'émission vertes et rouges sont réalisées et présentées. / We investigate the in-plane photonic properties of monolayer of self-organized nanostructures. We aim at investigating the contribution of photonic self-organized nanostructures to organic photonic crystal (PhC) cavities, and novel organic light sources.The first chapter presents bulk opals and inverse-opals made of self-organized nanoparticles and their optical properties. In a second part, photonic crystals are introduced as well as the physics and the numerical tools to quantify them.The second chapter deals with the study of photonic properties of two-dimensional periodic array of monolayer of self-organized dielectric nanoparticles. The in-plane optical transmission and the existence of photonic band gap are systematically studied by using the 3D finite-difference time domain (3D FDTD) method. The structures studied are monolayer of dielectric spheres surroundedby air ('opals') and air spheres infiltrated with dielectric material ('inverse opals') in triangularlattice, with and without glass substrate. The dependence of photonic band gaps (PBGs) on therefractive index and on the compactness of spheres is studied. For self-sustained structures, PBG isobserved for relatively low refractive indices of materials. However, the presence of a glasssubstrate reduces the PBGs. Defect microcavity designed in opals and in inverse opals are then considered. The best quality factor are obtained with inverse-opals when the compactness (r/a ratio) is around 0.32. An experiment to measure the in-plane propagation in monolayers of opals is presented. In the third chapter of this study, we present a new approach of two-dimensional patterning based on self-organized nanoparticle photolithography for nanostructuration of organic light emitting diodes. This technique uses conventional photolithography, a reusable photomask made of self organized micro nanoparticles, and a conventional photoresist. The mask consists of micro and submicronsized SiO2 or Polystyrene mono-dispersed spheres deposited in a self-organized manner on aquartz substrate. The principle of operation is similar to the one of conventional photolithography except that two configurations can be distinguished : The hard-contact mode and the soft-contact mode. In the first configuration, each microsphere acts as a micro ball-lens that focuses the light and expose the part of the photoresist underneath the spheres. The resulting pattern reproduce the triangular lattice arrangement of the spheres with the same period. In the soft contact mode a phase mask behavior is obtained which results in lattice periods being the half of the sphere diameters. Lattice periods and hole diameter as small as 750 nm and 420 nm respectively are demonstrated with a 405 nm light source. Eventually, this new two-dimensional patterning technique is applied to the nanostructuration of OLEDs. As an example, green and red patterned OLEDs are demonstrated.

Le silicium est le fondement de la microélectronique, pour laquelle des milliards de dollars et des décennies de recherche ont été consacrés au développement de l'industrie de la fabrication. Après avoir surmonté un certain nombre d'obstacles techniques difficiles, cette technologie a atteint une maturité, une rentabilité et un processus robuste. La photonique à base de silicium a récemment fait l'objet d'une grande attention en raison de la demande mondiale croissante de données issues des télécommunications. Le silicium, matériau transparent dans les spectres du proche et du moyen infrarouge, permet de concevoir des circuits optiques basés sur cette plate-forme. Tirant parti de l'infrastructure et de l'expertise de la fabrication microélectronique moderne, la photonique de silicium offre de nombreux avantages attrayants en réduisant la taille, la consommation d'énergie et le coût de fabrication, ainsi qu'un grand potentiel de production de masse. Les progrès récents de la photonique de silicium ont permis aux concepteurs d'avoir accès à des librairies de blocs de construction passifs et actifs tels que des multiplexeurs, des résonateurs en anneau, des modulateurs, des photodétecteurs, etc. Ces avancées ont incité les chercheurs à exploiter cette plateforme dans divers domaines allant de la détection à la médecine. L'un des défis de la recherche sur la photonique du silicium est de développer une source de lumière et un amplificateur compatible avec le silicium en raison des bandes interdites indirectes du silicium et du germanium. Plusieurs solutions sont actuellement à l'étude pour fournir des sources de lumière sur puce, qui sont réalisées comme suit : lasers à commande électrique par manipulation de la bande interdite et méthodes de co-intégration ou lasers à commande optique par co-intégration de matériaux de gain, dopage d'un matériau de revêtement avec des ions de terres rares, ou utilisation d'effets non linéaires pour convertir la fréquence. La manipulation de la bande interdite implique l'ingénierie de la bande interdite des matériaux du groupe IV avec des souches ou des alliages pour améliorer l'émission directe de la bande interdite. Les techniques de co-intégration comprennent la croissance épitaxiale hétérogène ou le collage de matériaux du groupe III-V sur le guide d'ondes en silicium pour concevoir un laser ou tirer parti de caractéristiques à gain élevé. Le dopage d'une gaine de verre avec des éléments de terres rares comme le thulium, l'holmium, l'erbium avec des guides d'ondes spécialement conçus pour former une cavité laser a également été proposé comme solution. La conversion de fréquence par des effets non linéaires dans les guides d'ondes en silicium est une autre approche de la génération de lumière sur puce qui peut être réalisée sans aucun post-traitement des puces en silicium sur isolant (SOI). Par exemple, dans le silicium, la non-linéarité du troisième ordre permet la génération de peignes, la génération de supercontinuum, l'oscillation paramétrique optique et l'émission Raman. Parmi celles-ci, la diffusion Raman-Stokes stimulée (SRSS) peut être avantageusement utilisée pour la conversion et l'amplification des longueurs d'onde, car elle ne nécessite pas d'ingénierie de dispersion. Le gain Raman du silicium a donc été exploité dans la conception de divers lasers et amplificateurs sur puce. Les lasers et amplificateurs Raman sur puce utilisent des conceptions simples et ont jusqu'à présent été réalisés principalement avec des tranches de silicium relativement épaisses. Dans ce travail, nous profitons du gain Raman pour étudier, modéliser, concevoir et démontrer expérimentalement un laser et un amplificateur Raman. Nos recherches s'appuient sur une fonderie à accès libre offrant des plaquettes SOI standard avec une épaisseur de silicium de 220 nm. Dans notre première contribution, nous présentons un modèle complet pour un laser Raman CW dans une plateforme SOI. Nous concevons ensuite un laser Raman de 2,232 μm avec une cavité résonante en anneau sur puce. Les valeurs optimisées pour la longueur de la cavité et les rapports de couplage de puissance sont déterminés par la simulation numérique des performances du laser en tenant compte des variations de fabrication. Enfin, en concevant un coupleur directionnel (DC) accordable pour la cavité laser, une conception robuste du laser Raman est présentée. Nous montrons que la réduction des pertes de propagation et l'élimination des porteurs libres, par l'utilisation d'une jonction p-i-n, amélioreront de manière significative les performances du laser Raman en termes de réduction de la puissance de seuil et d'augmentation de l'efficacité de la pente. Dans notre deuxième contribution, nous démontrons un laser Raman accordable de haute performance qui convertit la gamme de longueur d'onde de pompe de 1530 nm - 1600 nm à la gamme de signal de 1662 nm- 1745 nm avec une puissance de sortie moyenne de 3 mW à ~50 mW de puissance de pompe avec un seul dispositif. La caractéristique principale de ce laser est l'utilisation d'un mécanisme de couplage accordable pour ajuster les coefficients de couplage de la pompe et du signal dans la cavité en anneau et compenser les erreurs de fabrication. Nos résultats sont très prometteurs pour l'augmentation substantielle des ressources spectrales optiques disponibles sur une puce de silicium. Nous démontrons également, pour la première fois, un laser Raman dans l'infrarouge moyen générant un signal à 2,231 μm avec une pompe à 2 μm et étudions les défis d'obtenir une émission cette bande. Notre dernière contribution est dédiée à l'amplificateur Raman, nous discutons et validons expérimentalement l'importance de considérer le gain Raman non-réciproque en utilisant une pompe et une sonde contre-propagatives ou co-propagatives, différentes longueurs d'amplificateur, puissances de pompe d'entrée et valeurs de perte non-linéaire. Nous démontrons un circuit optique sans perte assisté par Raman dans un guide d'ondes de 1,2 cm de longueur qui atteint un gain net nul avec seulement 60 mW de pompage en puissance continue. Nous examinons les pertes non linéaires des guides d'ondes en silicium pour estimer la durée de vie des porteurs libres (FCL), puis nous extrayons le coefficient de gain Raman du guide d'ondes photonique en silicium. Nous utilisons ensuite ces paramètres clés comme entrée d'un modèle d'amplificateur Raman photonique au silicium pour trouver la performance optimale en fonction de l'encombrement et de la puissance de pompage disponibles. / Silicon is the foundation of microelectronics in which billions of dollars and decades of research have been devoted in development of fabrication industry. After overcoming number of difficult technical obstacles, this technology has reached a mature, cost effective and a robust process. Silicon-based photonics have recently witnessed a great deal of attention sparked by a global-growing demand of data from telecommunication. Silicon as transparent material in near- and mid-infrared spectra enables designing optical circuits based on this platform. Leveraging the modern microelectronics manufacturing infrastructure and expertise, silicon photonics offers many appealing advantages in lowering the size, power consumption and fabrication cost beside a great potential to be mass-produced. Recent advances in silicon photonics have enabled designers to have access to libraries of passive and active building blocks such as multiplexers, ring resonators, modulators, photodetectors and etc. Such breakthroughs have attracted researchers to exploit this platform in various fields spanning from sensing to medicine. A challenging aspect in silicon photonics research is to develop a silicon-compatible light source and amplifier due to the indirect band gaps of silicon and germanium. Several solutions are currently proposed to design the on-chip light sources: electrically-driven lasers by band gap manipulation and co-integration methods or optically-driven lasers by gain material co-integration, doping a cladding material with rare earth ions, or using nonlinear effects to convert frequency. Band-gap manipulation implies engineering the group IV materials band gap with strain or alloys to improve the direct band gap emission. Co-integration techniques include heterogeneous epitaxial growth or bonding the group III-V materials on the silicon waveguide to design a laser or take advantage of high-gain features. Doping of a glass cladding with rare earth elements like thulium, holmium, erbium with specially designed waveguides to form a laser cavity has also been proposed as a solution. Frequency conversion through nonlinear effects in silicon waveguides is another approach to on-chip light generation that is possible to achieve without any post processing of silicon on insulator (SOI) chips. For example, in silicon, the third-order nonlinearity enables comb generation, supercontinuum generation, optical parametric oscillation, and Raman emission. Among them, stimulated Raman-Stokes scattering (SRSS) can be advantageously used for wavelength conversion and amplification with ease since it does not require dispersion engineering. The silicon Raman gain has therefore been exploited in designing various on-chip lasers and amplifiers. On-chip Raman lasers and amplifiers use simple designs and have so far been achieved mostly with relatively thick silicon wafers. In this work, we take advantage of Raman gain to comprehensively study, model, design and experimentally demonstrate Raman laser and amplifier. Our investigations rely on open-access foundry offering the standard SOI wafers with silicon thickness of 220 nm. In our first contribution, we present a comprehensive model for a CW Raman laser in SOI platform. We then design a 2.232 µm Raman laser with an on-chip ring resonator cavity. The optimized values for the cavity length and power coupling ratios are determined by numerical simulation of laser performance taking into account fabrication variations. Finally, by designing a tunable directional coupler (DC) for the laser cavity, a robust design of Raman laser is presented. We show the reduction of propagation loss and free carriers removal, by the use of a p-i-n junction, will significantly improve the Raman laser performance in terms of threshold power reduction and increasing the slope efficiency. In our second contribution, we demonstrate a high-performance tunable Raman laser which converts the pump wavelength range of 1530 nm - 1600 nm to the signal range of 1662 nm- 1745 nm with an average output power of 3 mW at ~50 mW pump power with only a single device. The key feature to this laser is the use of a tunable coupling mechanism to adjust both pump and signal coupling coefficients in the ring cavity and compensate the fabrication errors. Our results indicate great promise for substantially increasing the optical spectral resources available on a silicon chip. We also, for the first time, demonstrate a MIR Raman laser generating signal at 2.231 µm with a pump at 2 µm and study the challenges of working in this band. Our last contribution is dedicated to Raman amplifier. We discuss and experimentally validate the importance of considering the non-reciprocal Raman-gain by using counter-propagating or co-propagating pumps and probes, different amplifier lengths, input pump powers and nonlinear loss values. We demonstrate a Raman-assisted loss-less optical circuit in a 1.2-cm-length waveguide that reaches zero net-gain with only 60 mW continuous-wave pumping. We examine the nonlinear loss of silicon waveguides to estimate free carrier lifetime (FCL) then extract the Raman gain coefficient of silicon photonic waveguide. Then, we use these key parameters as input to a silicon photonic Raman amplifier model to find the optimum performance based on the available footprint and pump power.