Cette thèse porte sur la réalisation de composants photoniques à base de fils de nitrures III-V. Les fils de GaN non-catalysés ont été élaborés de manière auto-assemblée par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOVPE) sur saphir. Un des axes de ce travail a porté sur la croissance organisée de ces fils à travers un réseau d’ouvertures défini par lithographie et gravure d’une couche de SiNx. Nous avons étudié en particulier l’influence des paramètres de croissance (température, pression, ratio V/III) et du motif sur l’homogénéité de la croissance sélective. Ces fils ont servi de substrat pour la croissance d’hétérostructures radiales cœur-coquille InGaN/GaN.D’autre part, la croissance, la fabrication et les propriétés physiques de trois types de composant ont pu être étudiées :-Des cellules solaires à fils uniques. Nous avons comparé l’efficacité de conversion de deux types d’hétérostructures : des coquilles épaisses d’In0.1Ga0.9N et des coquilles à 15 et 30 puits quantiques In0.18Ga0.82N/GaN. Après optimisation du contact électrique sur la coquille p-GaN, un rendement maximal de 0,33 % a été obtenu avec des fils à 30 puits quantiques sous éclairement équivalent à 1 soleil (AM1.5G). Le seuil d’absorption mesuré par spectroscopie de photocourant varie entre 400 et 440 nm.- Une plateforme émetteur-détecteur. Le système, qui fonctionne à 400 nm, comprend deux fils de GaN à hétérostructure radiale InGaN/GaN positionnés sur le même substrat et couplés par un guide d’onde en SiNx. La caractérisation électrique du dispositif a mis en évidence une durée de commutation inférieure à 0,25 s sans photocourant persistant.- Des diodes électroluminescentes (LED) flexibles. Ces diodes qui émettant dans le visible (400-470 nm) ont été réalisées en se basant sur une approche hybride organique/inorganique. Les fils émetteurs à puits quantiques InGaN/GaN sont encapsulés dans une matrice organique de PDMS puis détachés de leur substrat de croissance. Les contacts sont réalisés à partir de nanofils d’argent qui présentent l’avantage d’être à la fois flexibles, transparents et conducteurs. A partir de ce procédé, une LED bicolore flexible a été réalisée en combinant des émetteurs bleus et « verts ». / This thesis reports on the realization of photonic devices based on nitride wires. Self-assembled GaN wires were grown without catalyst by metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD) on sapphire substrates. Part of this work focused on the selective area growth of GaN wires through a dielectric SiNx mask with regular arrays of holes defined by lithography and dry etching. We studied the influence of the growth conditions (temperature, pressure, V/III ratio) and pattern geometry on the homogeneity of the selective area growth. These wires were used as templates for the growth of core-shell InGaN/GaN heterostructures. In addition, the growth, microfabrication process and properties of three types of devices were studied:- Single wire solar cells. We compared the efficiency of two type of heterostructures: shells composed of thick In0.1Ga0.9N layers and In0.18Ga0.82N/GaN quantum wells. After optimization of the electrical contact on the p-GaN shell, a maximal conversion efficiency of 0,33 % was obtained on single GaN wires with a shell of 30 quantum wells under 1 sun illumination (AM1.5G). Photocurrent spectroscopy revealed that the wire absorption edge varied between 400 and 440 nm.- An integrated photonic platform. The system, that operates around 400 nm, is composed of two GaN wires with radial InGaN/GaN heterostructures positioned on the same substrate and coupled with a SiNx waveguide. The electrical characterization of the platform revealed a switching speed inferior to 0.25 s without persistent photocurrent.- Flexible light emitting diodes (LED). The LED fabrication is based on a dual approach which associates inorganic InGaN/GaN emitters (400-470 nm) and a polymer. The wires are encapsulated in a PDMS matrix before being detached from their native substrate. Electrical contacts are made with silver nanowires which are flexible, highly conductive and transparent in the visible range. Based on this procedure a two-color LED was realized by stacking a blue and a “green” LED.

Dans le contexte des Réseaux Optiques Passifs (PON), les opérateurs recherchent des solutions innovantes pour augmenter le débit agrégé, nombre d'utilisateurs et portée de la transmission. En plus, des solutions émetteurs-récepteurs à bas coût sont nécessaires. La technique de transmission Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) peut améliorer les performances de la communication en termes de débit agrégé et portée comparé à la modulation classique On-Off Keying (OOK) mono-porteuse. Au même temps, la technologie Photonique sur Silicium permet de réduire le coût par unité des émetteurs-récepteurs, en raison de sa capacité de production en masse et intégration électro-optique. L'OFDM optique a déjà démontré son potentiel avec des composants optiques sur étagère. Par contre, son utilisation avec des émetteurs compatibles avec la technologie Photonique sur Silicium est plus difficile. L'objectif de ce travail est d'étudier les performances d'un lien basé sur des composants Photoniques sur Silicium utilisant la technique de modulation OFDM. Pour atteindre cet objectif, une plateforme de simulation dédiée est développée. Le modulateur-démodulateur OFDM est mise en place, ainsi que des modèles d'émetteurs Photoniques sur Silicium développés pendant la thèse. Ces modèles sont validés expérimentalement avec la caractérisation des composants disponibles au laboratoire. En parallèle, un banc expérimental est construit. Les émetteurs Photoniques sur Silicium sont comparés avec des composants à l'état-de-l' art sur étagère dans un lien OFDM optique. Dans les systèmes en modulation d'intensité et détection directe (IM/DD), une technique d'allocation quasi-optimale de bits et puissance avec de l'OFDM optique est proposée pour maximiser l'efficacité spectrale. Deux types d'émetteurs Photoniques sur Silicium sont considérés : des lasers hybrides III/V-sur-Silicium en modulation directe (expérimentation) et des modulateurs externes comme le Mach-Zehnder (MZM) (simulation) et en anneau-résonant (expérimentation et simulation). Les résultats expérimentaux montrent qu'un débit agrégé de 10Gbps peut être attendu jusqu'à 50km de fibre monomode, compatible avec les exigences de futures générations de PONs. La portée de la transmission (>10Gbps) avec le modulateur en anneau est limitée à 20km, en raison des pertes de couplage élevé en entrée/sortie de la puce. Les simulations montrent que la portée peut atteindre 100km si les pertes sont réduites. Une technique de modulation appelée Single-Side Band (SSB)-OFDM est connu pour améliorer le produit bande-passante-portée de la transmission, en comparaison avec des systèmes IM/DD (Dual-Side Band (DSB)). Par contre, l'émetteur SSB exige plusieurs composants électriques et optiques discrets, augmentant sa complexité. La technologie Photonique sur Silicium permet de un haut niveau d'intégration électro-optique. Pour cette raison, une implémentation spécifique d'un modulateur optique IQ sur Silicium permettant une génération efficace d'un signal SSB-OFDM est étudiée. Les résultats de simulation d'un cas d'étude montrent que l'émetteur Silicium permet d'atteindre une pénalité dans le budget optique relativement faible (de l'ordre de 3dB) comparé à un modulateur LiNbO3. Les solutions présentées dans cette thèse répondent aux besoins de future générations de PON en termes de débit avec des bandes-passantes relativement faibles (<6.25GHz). Ceci est un atout pour l'application considérée. Les tensions de modulations pour les liens IM/DD sont proches des celles fournies par l'électronique CMOS (about 2Vpp). Le développement récent de processeurs numériques et de convertisseurs numériques-analogiques à haut débit en CMOS font de l'OFDM une solution très attractive pour les futures générations de PONs, puisque des transmetteurs tout-Silicium peuvent désormais être envisagés. / In the context of Passive Optical Networks (PON), operators are looking for innovative solutions to increase aggregated data-rate, split-ratio and reach. Another requirement is that transceivers should be as low-cost as possible. The optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique can improve performance of the transmission in terms of data-rate and reach as compared to classical single-carrier On-Off Keying (OOK) modulation. At the same time, the silicon photonics technology can lower the cost per unit of the transceiver, due to its mass production and E/O integration capabilities. Optical OFDM has already shown its potential using commercially available optical components. However, its use with silicon photonics Directly-Modulated Lasers (DML) and modulators is more challenging. The objective of this work is to study the performance of OFDM -based solutions for future PON, using silicon photonics transmitters. For that purpose, a dedicated simulation platform is developed. The OFDM modem is implemented, as well as models of silicon photonic devices built during this thesis. These models are validated by characterizing physical components available for test. In parallel, an experimental test-bed is developed. The silicon photonics transmitters are benchmarked with commercial-available transmitters for OFDM-based optical systems. For Intensity-Modulated/Directly-Detected (IM/DD) links, the use of optical OFDM with adaptive bit and power loading is proposed to maximize spectral efficiency. Two types of silicon photonics transmitters are considered: directly modulated III/V-on-silicon lasers (experiment) and external optical modulators such as Mach-Zehnder Modulator (MZM) (simulation) and ring-resonator (simulation and experiment). Experimental results show that the hybrid DML can provide more than 10Gbps aggregated data-rate over at least 50km, which is a requirement for future uplink PON (from the subscriber to the central office). For the silicon ring modulator, because of the high coupling loss in and out of the photonic chip, reach was limited to 20km for a data-rate higher than 10Gbps. These are the first experimental demonstrations of OFDM modulation with hybrid III/V-on-silicon lasers and silicon ring-resonator modulator. Besides, simulation results show that reach can be indeed improved up to 100km if the optical signal is amplified or the coupling loss reduced. A modulation technique called Single-Side Band (SSB)-OFDM is known to improve the [bandwidth x reach] product of the link, as compared to IM/DD (Dual-Side Band (DSB)) systems. However, it requires expensive transmitters with several discrete optical components. As silicon photonics technology allows a very high level of integration between different optical components and between electrical and optical devices, a silicon optical IQ modulator enabling ac{SSB}-ac{OFDM} technique is investigated. Simulation results of a study-case reveal that a relatively low optical budget penalty (up to 3dB) of the silicon photonics transmitters as compared to the LiNbO3 modulator is achieved. The solutions presented in this thesis are demonstrated to be compliant with future PON in terms of data-rate, with relatively low bandwidth (<6.25GHz) electronics. This is a great asset for the considered application. The driving voltages required for typical IM/DD systems showed to be closer to what CMOS driving circuitry can provide (about 2Vpp). Recent developments on high-speed digital signal processors and D/A-A/D converters, using CMOS technologies, make optical-OFDM an attractive solution for future PONs as full-Silicon-transmitters could be used.

De par leur petite taille et suivant leur nature, les micro et nanoparticules colloïdales présentent de nouvelles propriétés physiques, tout particulièrement dans le domaine de l'optique (guidage et focalisation sub-longueur d'onde, propagation de plasmons, émission monochromatique...). Toutefois la synthèse chimique de ces micro/nano-objets étant principalement réalisée en phase aqueuse, il devient nécessaire de développer des technologies pour surpasser leur mouvement aléatoire dans le liquide et permettre leur positionnement et leur organisation sur une surface de façon déterministe. Les méthodes d'assemblage par forces de capillarité, consistant à contrôler l'évaporation d'une goutte de suspension colloïdale sur un substrat lithographié, font partie des outils les plus prometteurs. Depuis plusieurs années notre équipe a développée un banc expérimental basé sur l'assemblage thermodynamique par forces de capillarité en milieu confiné. Cette technique a permis la réalisation de structures planaires à base de nano et microparticules diélectriques ou métalliques pour mener des études optiques (couplage plasmonique, nanojet photonique...). Néanmoins, un des défis reste la maitrise de cette technologie pour l'élaboration de structures tri-dimensionnelles diélectriques ou métalliques.C'est dans cette perspective que nous avons développé une technologie permettant la réalisation et le transfert d'architecture 3D de taille et de forme variées, à base de nanoparticules. Deux types d'architectures ont été réalisés : des architectures métalliques constituées de nanoparticules d'or (de diamètre 100 nm), et des structures diélectriques à l'aide d'un mélange de particules de polystyrène fluorescentes (diametre 100 nm).Les propriétés plasmoniques des architectures métalliques ont été étudiées en champ lointain par spectroscopie de diffusion et par luminescence à deux photons. L'influence des caractéristiques structurales des objets sur leur réponse optique ont ainsi pu être évaluées. L'effet du à la structuration en trois dimensions a également été observé sur la réponse en champ proche optique.Les architectures diélectriques présentent quant à elles un potentiel en tant qu'émetteurs polychromatiques dans la gamme spectrale du visible. Une étude spectroscopique de mélanges de particules de trois couleurs différentes (bleu, vert et rouge) a été réalisée afin de déterminer les propriétés spectrales et chromatiques de tels objets, et ainsi donner naissance à une émission polychromatique blanche localisée sur un substrat de silicium.Finalement une approche tout à fait originale a été abordée afin d'utiliser la technique d'assemblage par forces de capillarité en tant que méthode de détection ultra-sensible. Une preuve de concept a alors été obtenue à l'aide de suspensions colloïdales de nanoparticules d'or. / By their small size and according to their nature, colloidal micro and nano-particles exhibit novel physical properties, especially in the field of optics (subwavelength guiding and focusing, plasmon propagation, monochromatic emission...). However, the chemical synthesis of these micro/nano-objects being mainly carried out in aqueous phase, makes it necessary to develop technologies to overcome their random motion in the liquid phase and allow their deterministic positioning and organization on a surface. The capillary assembly methods, consisting in controlling the evaporation of a colloidal droplet on a lithographied substrate, are among the most promising tools. For several years our team has developed a test bench based on the thermodynamic capillary force assembly in a confined environment. This technique has allowed the realization of planar structures based on dielectric or metallic nano and microparticles to conduct optical studies (plasmonic coupling, photonic nanojet...). Nevertheless, one of the remaining challenges is the development of three-dimensional dielectric or metallic structures with the capillary force assembly technique.In this context we have developed a technology for the realization and the transfer of 3D nanoparticles architectures of various sizes and shapes. Two types of architectures have been created : metallic architectures made of gold nanoparticles (100 nm in diameter), and dielectric structures of fluorescent polystyrene particles (100 nm in diameter).The plasmonic properties of the metallic architectures have been studied in far field by scattering spectroscopy and two-photon luminescence. The influence of the structural characteristics of these objects on their optical response could thus be assessed. The effect of the three-dimensional structure has also been observed on the near field optical response.The dielectric architectures present a potential as polychromatic emitters in the visible spectral range. A spectroscopic study of particle mixtures of three different colors (blue, green and red) was performed to determine the spectral and chromatic properties of such objects, and thus give rise to a white polychromatic emission localized on a silicon substrate.Finally, a completely original approach to use the technique of capillary force assembly as an ultra- sensitive detection method was discussed. A proof of concept was then obtained using colloidal suspensions of gold nanoparticles.

Ce travail porte sur l’étude des mécanismes de conversion de fréquences dans les cristaux photoniques non linéaires bidimensionnels. En particulier, nous avons étudié la génération paramétrique optique (GPO) dans les cristaux de LiTaO3 (PPLT- 2D) à réseau carré. Nous nous sommes d’abord intéressés à l’étude théorique et numérique de structures PPLT- 2D. Une étude numérique, nous a permis de comprendre la contribution des vecteurs de réseau réciproque (kmn) pour différents types de réseaux, en particulier les réseaux carrés et rectangulaires. Par simulations numériques, nous avons également étudié l’influence de l’angle incidence du faisceau de pompe sur l’efficacité de conversion paramétrique dans ses structures. Les mesures expérimentales nous ont permis de mettre en évidence, pour la première fois, l’existence de plusieurs singularités où le signal est partagé pour générer deux idlers et vice versa. En effet, en analysant les propriétés spectrales et angulaires des faisceaux à la sortie du cristal, nous avons, expérimentalement et numériquement, identifié les contributions impliquées dans ces processus communs de GPO. De plus, nous avons étudié le management du gain paramétrique optique dans un réseau carré de PPLT-2D. Les résultats montrent que l’exploitation de la direction non colinéaire permet d’augmenter le gain suivant deux angles d’incidences de la pompe : 0.8° et 1.6°. Cela implique, une meilleure efficacité de conversion en minimisant le walk-off entre la pompe et l’idler. Dans ces conditions, le gain pourrait être proche de celui de la direction colinéaire. Un bon accord a été constaté entre les résultats expérimentaux et ceux de la simulation. / This work deals with the study of the mechanisms of frequency conversion in two-dimensional nonlinear photonic crystals. In particular, we have studied optical parametric (OPG) generation in square-lattice LiTaO3 crystals (PPLT-2D). We first focused on the theoretical and numerical study of PPLT-2D structures. A numerical study allowed us to understand the contribution of the reciprocal lattice vectors (kmn) for different types of gratting, in particular square and rectangular lattices. By numerical simulations, we also studied the influence of the incidence angle of the pump beam on the efficiency of the parametric conversion in these structures. Experimental measurements have allowed us to demonstrate, for the first time, the existence of several singularities where the signal is shared to generate two idlers and vice versa. Indeed, by analyzing the spectral and angular properties of the beams at the output of the crystal, we have experimentally and numerically identified the contributions involved in these common OPG processes. In addition, we studied the management of the optical parametric gain in a square lattice of PPLT-2D. The results show that the use of the non-collinear direction makes it possible to increase the gain according to two angles of incidence of the pump: 0.8 ° and 1.6 °. This implies, better conversion efficiency by minimizing the walk-off between the pump and the idler. Under these conditions, the gain could be close to that of the collinear direction. A good agreement was found between the experimental results and those of the simulation.

Les propriétés photoniques des tissus durs dentaires nous ont permis d’étudier l’email et la dentine a un niveau moléculaire (in vitro) en utilisant des techniques de microscopie optique non linéaires. La microscopie confocale Raman est technique d’imagine de haute résolution permettant d’analyse d’échantillon sans préparation spécifique ni marquage. Cette méthode nous a permis de reconstituer une cartographie de la réticulation du collagène et de la cristallinité au niveau de la jonction émail-dentine et cela avec une résolution spatiale non atteinte jusque-là. Cette analyse chimique de la jonction émail-dentine a permis de redéfinir la largeur de cette zone de transition. Cette largeur est nettement supérieure à celles proposées par les études précédentes. Par ailleurs, l’étude portant sur les changements de fluorescence intrinsèque entre les tissues dentaires sains et cariés suggèrent l’implication de la protoporphyrin IX et de la pentosidine dans l’expression de la fluorescence rouge des tissus cariés. La microscopie multiphotonique quant à elle nous a permis de détecter la lésion carieuse et de suivre son développement en utilisant la génération de seconde harmonique (SHG) et la fluorescence par excitation à deux photons (2PEF). Nos études ont démontré la validité du ratio SHG/2PEF comme paramètre fiable pour la détection de la lésion carieuse. Les études proposées par cette thèse montrent le potentiel des propriétés photoniques de l’émail et de la dentine en utilisant les microscopies Raman et multiphotoniques dans l’étude de ces tissus au niveau moléculaire. Cela offre de nouvelles perspectives en recherche et en applications cliniques. / Photonic properties of dental hard tissues allowed us to proceed to in vitro analysis of enamel and dentin on a molecular level. Confocal Raman microscopy has been used to produce a mapping of collagen cross-link and crystallinity of human dentin–enamel junction (DEJ) with a spatial resolution not achieved up to now. The method is a non-invasive, label-free and a high spatial resolution imaging technique. This chemical analysis of DEJ led us to redefine a wider width of this transition zone and advance our understanding of dental histology. A study on the intrinsic fluorescence changes of sound and carious tissues using conventional fluorescence microscopy suggests the involvement of protoporphyrin IX and pentosidine in the fluorescence red-shift observed in carious tissues. Multiphoton microscopy allowed to detect nonlinear optical signal changes during caries process using second harmonic generation (SHG) and two-photon excitation fluorescence (2PEF). Our studies led us to propose the ratio SHG/2PEF as valuable parameter to monitor caries lesion. Collectively, advances described in this thesis show the potential of photonic properties of enamel and dentin using Raman and multiphoton microcopies for molecular investigations on sound as much as on carious tissues. It opens new perspective in dental research and clinical applications.

Cette thèse décrit la conception et la réalisation d'une plateforme expérimentale pour le refroidissement par laser et le guidage d’atomes de Rb dans les fibres à cristal photonique à cœur creux (HC-PCF). Cette plateforme a pour but de fournir un système polyvalent pour explorer le refroidissement par laser à l’intérieur des fibres avec l'objectif à plus long terme de réaliser une fibre optique constituée d’un cœur rempli d’atomes froids (micro-cellule photonique). La plateforme a été conçue pour héberger plusieurs expériences sur le guidage d'atomes froids et thermiques ainsi que la spectroscopie dans les HC-PCFs pour répondre à plusieurs questions ouvertes liées par exemple à l'effet de la surface interne des HC-PCFs sur la structure énergétique des atomes ainsi que le piégeage et le refroidissement des atomes. La plateforme comprend une chambre spécifique à vide ultra-élevée (UHV) et un ensemble de lasers pour le refroidissement et le guidage des atomes à l'intérieur du HC-PCF hautement adapté. La chambre UHV a été conçue pour accueillir plusieurs HC-PCFs et deux pièges magnéto-optiques (MOT). Les HC-PCFs ont été conçus et fabriqués avec différents diamètres de cœur, contenu modal et post-traités avec des matériaux différents pour la surface interne du cœur. Par exemple, les diamètres du cœur varient de ~ 30 μm à ~ 80 μm traités avec une couche d'aluminosilicate ou une couche de PDMS afin de fournir un grand espace de paramètres pour évaluer l'effet de la surface sur les atomes confinés dans les fibres. Ainsi, le système a été construit et caractérisé. Le laser de refroidissement/repompage a été stabilisé en fréquence, avec une variance d'Allan de σ(τ)=3,8×10^(-11)/√τ. Avec ce système nous avons généré un MOT avec les deux isotopes du Rb, avec une température de refroidissement faible de l’ordre de 7 μK. La plateforme est maintenant opérationnelle pour entreprendre le premier guidage atomique et explorer la faisabilité du refroidissement des atomes à l'intérieur des HC-PCFs. / This thesis reports on the design and fabrication of an experimental platform for in-fibre laser cooling of Rb and atom optics. By in-fibre laser cooling, we mean the long term aim of laser cooling thermal Rb atoms of a Photonic MicroCell (PMC), and subsequently developing what would be cold-atom photonic crystal fibre (PCF). The platform was designed to harbor several experiments on cold and thermal atom guidance and in-fibre spectroscopy so to address several open questions related for example to the effect of the core inner-wall surface on the atom energy structure and on selective fibre mode excitation for atom trapping and cooling. The completed platform comprises a specific and large ultra-high vacuum (UHV) chamber and a set of lasers for both atom cooling and atom guiding inside highly tailored hollow-core PCF (HC-PCF). The UHV chamber was designed to accommodate several HC-PCFs and two magneto-optical traps (MOT). The HC-PCF were designed, fabricated and post-processed to exhibit different core diameter, modal content and core inner surface material. For example, the mode field diameters range from ~30 µm to ~80 µm for the fundamental Gaussian-like core mode, and the surface materials include pure silica, a layer of Aluminosilicate or a layer of PDMS so to provide a large parameter space in assessing the effect of surface on the fibre-confined atoms. The system has been constructed and characterized. The cooling/repumping laser was frequency-stabilized, with measured Allan variance deviation of σ(τ)=3.8×10^(-11)/√τ. With the system we generated MOT with both isotopes of the Rb atom, with a cooling temperature as low as 7 µK. The platform is now operational to undertake the first atom guidance and explore the feasibility of atom cooling inside a HC-PCF.

Les nanocristaux de Silicium (SiNCs) de taille inférieure à 5 nm sont des matériaux qui présentent une intense photoluminescence (PL) et capables d’amplification optique. Cette dernière propriété est un pré-requis à l’obtention d’émission stimulée sous pompage optique. Atteindre l’émission stimulé (et l’effet laser) à partir de nanostructures basées sur Si est d’un intérêt particulier dans le domaine de la photonique à base de silicium. Le but de ce travail était (i) d’étudier les propriétés optiques fondamentales de SiNCs, (ii) de concevoir et de réaliser un cristal photonique présentant une efficacité d’extraction augmentée et (iii) d’explorer la possibilité d’améliorer l’amplification optique des émetteurs de lumière à base de SiNCs en les combinant avec un cristal photonique à deux dimensions. / Silicon nanocrystals (SiNCs) of sizes below approximately 5 nm are a material with an efficient room-temperature photoluminescence (PL) and optical gain. Optical gain is a prerequisite for obtaining stimulated emission from a pumped material, and the achievement of stimulated emission (and lasing) from Si-based nanostructures is of particular interest in the field of silicon photonics. The aim of this work was (i) to investigate fundamental optical properties of SiNCs, (ii) to design and prepare a photonic crystal with enhanced light extraction efficiency and (iii) to explore a possibility of enhancing optical gain of light-emitting SiNCs by combining them with a two-dimensional photonic crystal.

Au cours du développement cérébral des vertébrés, le processus permettant à des neurones nouveaux-nés de s'incorporer dans des réseaux déjà établis est mal compris. En effet, la majorité des études ayant été réalisées à l'échelle de la cellule, une description détaillée de la dynamique des circuits au cours de ce phénomène est manquante. Pour l'étudier, j'ai développé une méthode innovante utilisant la larve de poisson zèbre comme modèle expérimental et une approche pluridisciplinaire combinant la génétique, la microscopie bi-photonique et l'optogénétique pour suivre le développement de l'activité de neurones nouveaux-nés et des réseaux matures voisins dans un vertébré intacte et non-anesthésié. En utilisant cette technique j'ai décrit pour la première fois, pendant plusieurs jours consécutifs, le développement des propriétés fonctionnelles de neurones nouveaux nés avant et pendant leur incorporation dans les circuits du toit optique, la structure cérébrale la plus complexe du poisson zèbre permettant l'intégration l'information visuelle. Les résultats obtenus suggèrent une séquence de développement durant laquelle les neurones morphologiquement immatures spontanément actifs se connectent en premier à la rétine. Dans un second temps, ces neurones s'incorporant graduellement au circuit mature en montrant des corrélations avec des neurones matures éparses. Troisièmement, l'organisation spatiale des corrélations entre les neurones nouveaux-nés est raffinée et devient plus dense. Ces résultats suggèrent que les neurones nouveaux-nés se connectent dans un premier temps a une population éparse de neurones matures avant que les connections a longue distance disparaissent permettant aux neurones en développement d'obtenir une signature fonctionnelle robuste (ex. réponses restreintes spatialement). Récemment, des traitements basés sur la transplantation des tissues neuronaux ont été développées pour certaines maladies neuro-dégénératives (ex. maladie de Parkinson). Cependant ces thérapies sont actuellement limitées par le faible taux de survie et l'incorporation des neurones injectés. Ces travaux apportent une meilleure compréhension des mécanismes à l’œuvre lors de la formation de circuits neuronaux et pourront peut-être permettre d'améliorer l'efficacité des traitements utilisant des cellules souches pour réparer le cerveau humain. / In the vertebrate brain, mechanisms leading to the incorporation of newborn neurons into already functional networks still remain poorly understood. Indeed, since most of the studies have been performed at the single-cell level, a detailed description of the circuit dynamics is lacking. To investigate this phenomenon, I have developed a pioneer methodology using the zebrafish larva as an experimental model and a multidisciplinary approach combining genetics, two-photon microscopy and optogenetics to monitor the developing activity of genetically targeted newborn neurons and the surrounding matured networks, in an intact and non-anesthetized vertebrate. Using this technique I have described for the first time, and in the time course of several days, the developmental dynamics of the functional properties of newborn neurons before and during their incorporation into the mature tectal circuit, the zebrafish most complex layered structure and highest visual center. Overall, these results suggest a developmental sequence of events during which newborn neurons capable of generating intrinsic activity dynamics first connect to their pre-synaptic sensory organ (the retina). At a second stage, the newborn neurons gradually incorporate into the tectal mature circuit showing sparse correlations with mature neurons. At a third stage, the spatial organization of the correlation between the newborn and the mature neurons is refined, becoming denser. I thus suggest that the newborn neurons first connect to a large population of sparsely located mature neurons and subsequently distant connections are pruned, permitting the newborn-labeled neuron to acquire a stable and robust functional signature (e.g. sharp receptive fields). In the recent years, treatments based on the transplantation of neural tissue have been developed to target neurodegenerative diseases such as Parkinson's disease. Because these therapies face the problem of poor survival and long-term functional incorporation, this study may provide better understanding of neuronal circuits formation and might pave the way to improve the efficiency of stem-cells-based treatments for human-brain reparation.

Cette thèse a pour but de déterminer les meilleures conditions possibles pour réaliser une génération de seconde harmonique (SHG) à partir d'un fondamental dans la bande C télécom (autour de 1.55 JJm) dans des microdisques de phosphure de gallium intégrés sur silicium. Il s'inscrit dans les efforts actuels de développement de circuits photoniques intégrés en étudiant une proposition technique pour tirer parti des effets non linéaires en optique. A partir d'une résolution approchée de l'équation de propagation des ondes électromagnétiques comportant un terme source d'origine non linéaire, il a permis d'aboutir à deux "cartes" indiquant, pour l'une, les conditions nécessaires à la SHG, pour l'autre, l'efficacité théorique attendue suivant les paramètres retenus. S'appuyant sur l'expertise du laboratoire Folon en matière d'intégration monolithique de GaP sur Si, une étude de l'influence sur la SHG de certains défauts de cristallisation a été menée et a conduit à la proposition de deux nouvelles techniques d'accord de phase dans les disques de GaP épitaxiés sur Si. D'un point de vue expérimental, ce travail de thèse a permis, d'une part, de doter le laboratoire d'un banc de fabrication de fibres effilées (tapers) et fibres effilées gaufrées (dimpled tapers) et, d'autre part, d'un banc de caractérisation optique des microdisques adapté à l'étude de la SHG. / The goal of this thesis is to determine the best conditions to manage the second harmonic generation (SHG) from afundamental in the telecom C-band (around 1.55 (Jm) in gallium phosphide microdisks integrated on silicon. Findingtechnical solutions to take advantage of the non linear effects in these devices is a contribution to the actual efforts madeto develop integrated photonics circuits.In this work, the approximate resolution of the electromagnetic wave propagation equation completed by a nonlinearsource led to two "charts" indicating, for one, the necessary conditions for SHG, and for the other, the conversionefficiency theoretically allowed according to the chosen parameters. Thanks to the Foton laboratory expertise inmonolithical integration of GaP on Si, the influence on the SHG of specific structural defects was studied. This has led tothe proposal of two new phase matching techniques in GaP/Si microdisks.From an experimental point of view, this work led to the fabrication of two setups, the fi rst one, to make tapered opticalfibres and dimpled tapers, the second one, to make optical characterizations of microdisks and to study SHG in these systems.

Dans ce manuscrit, nous présentons le développement d'un résonateur optimisé pour observer des effets quantiques du couplage entre un resonateur mécanique et le champ electromagnétique via la pression de radiation. Celui-ci doit combiner une réflectivité élevée, une faible masse, ainsi qu'un facteur de qualité mécanique élevé. Le résonateur consiste en une membrane suspendue de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur, et de quelques dizaines de microns de côté, présentant une réflectivité importante grâce à l'utilisation de cristaux photoniques. Après une étude détaillée de la physique d'un cristal photonique en incidence normale, nous présentons les résultats expérimentaux, en bon accord avec des simulations optiques, notamment lorsque la membrane est utilisée comme miroir de fond d’une cavité Fabry-Perot. Dans un second point, nous passons en revue les mécanismes d'amortissement mécanique à l’œuvre dans les micro-résonateurs. Nous montrons ensuite comment l'introduction de contraintes peut améliorer leur facteur de qualité. Nous finissons la caractérisation mécanique par l'étude de non-linéarités apparaissant lors des grandes amplitudes de mouvement. Puis nous présentons le montage expérimental permettant l'observation du bruit thermique de ces resonateurs. Celui-ci a également permis d'obtenir des résultats préliminaires sur le refroidissement de leur bruit thermique par friction froide et par effet photothermique. Enfin, nous présentons le développement d’un système de couplage capacitif entre la membrane et un circuit électrique, constituant la première étape de la réalisation d’un transducteur optomécanique entre photons optiques et micro-ondes. / The field of optomechanic consists in studying the coupling induce by the radiation pressure between a mechanical resonator and a light field, it has expended over the last fifteen years. In this memoir we present the developpement of a resonator optimised to observe quantum effect of the optomechanical coupling. On the one hand, it has to combine a high reflectivity and a low mass to enhance its coupling with the light field. On the other hand it should exhibit high mechanical quality factor in order to minimize its interaction with the environment. This resonator is a suspended membrane, whose thickness is about hundreds of nanometers, and whose reflectivity is achieved thanks to a photonic crystal. After a study of the photonic crystal physic in normal incidence, we present the experimental results including those in the end mirror of a Fabry-Pérot cavity configuration, which are in good agreement with the optical simulations. In a second point, we list the dissipation mechanisms in micro-resonator. Then we show how the stress introduction in such resonators can improve the quality factor. We finish the mechanical characterisation by studying mechanical non-linearities which appears in the case of large amplitude of motion. Then we present the experimental set-up developed to observe the thermal noise of the resonators. We also obtain some preliminary results about the cooling of the thermal noise using active cooling and photothermal effect. Last we present the development of a capacitive coupling between the membrane and a electrical circuit. This device is the first step toward the realisation of an optomechanical transducer between optical and micro-wave photons.