Les capteurs électroniques sont utilisés dans une grande variété de domaines afin de répondre à différents besoins dans notre société. La médecine, la robotique et les téléphones intelligents en sont seulement quelques exemples qui marquent notre quotidien. Dans le cadre du Réseau canadien du CRSNG sur l'électronique imprimée verte (GreEN) le développement de capteurs (temps, température, humidité) imprimés à base de matériaux verts pour application dans les emballages intelligents figurent parmi les principaux objectifs de ce réseau pancanadien qui regroupe des chercheurs académiques de renom et des industriels du domaine de l'impression, de l'emballage et de l'alimentation. Le développement d'une étiquette « intelligente » permettrait la trace efficace, en temps réel, de produits alimentaires sensibles en assurant l'intégrité de la chaîne de froid afin de préserver la salubrité et les qualités gustatives des aliments. Plusieurs projets sont actuellement consacrés au développement de cet emballage fonctionnel dont le miens. En effet, mon projet de maîtrise vise principalement le développement d'un capteur de température imprimé en collaboration avec l'Institut National d'Optique (INO). Le principal objectif est de remplacer la thermistance à base de poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrène sulfonate (PEDOT:PSS) actuellement utilisé dans les capteurs de température développés à l'INO par un matériau dont les propriétés seraient indépendantes de l'humidité. Pour ce faire, des nouveaux matériaux, inspirés du PEDOT, ont été synthétisés et étudiés comme thermistance. Ces matériaux sont, contrairement au PEDOT:PSS qui est une suspension, 100% soluble dans l'eau ce qui facilite grandement l'impression. Dans le cadre de ce mémoire, la formulation, l'impression et la fabrication d'un capteur de température utilisant cette nouvelle génération de PEDOT seront présentés. / Electronic sensors are used in a wide variety of fields to meet different needs in our society. Medicine, robotics and telephones are just a few examples that mark our daily lives. As part of the "NSERC-Green Electronics Network", the development of sensors (time, temperature, humidity) printed on the basis of green materials for application in smart packaging are among the main objectives of this pan-Canadian network which brings together renowned academic researchers and manufacturers in the field of printing packaging and food. The development of the "smart" label would allow the efficient, real-time trace of sensitive food products while ensuring the integrity of the cold chain in order to preserve the safety and taste qualities of food. Therefore, several projects are currently devoted to the development of this functional packaging, including mine. Indeed, my master's project mainly aims at the development of a printed temperature sensor in collaboration with the National Optics Institute (INO). The main objective is to replace the thermistor based on poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) currently used in temperature sensors developed at INO with a material whose properties are independent of humidity. To do this, new materials, inspired by PEDOT, have been synthesized and studied as thermistors. These materials are, unlike PEDOT:PSS which is a suspension, 100% soluble in water which greatly facilitates printing. As part of this thesis, the formulation, printing and fabrication of a temperature sensor using this new generation of PEDOT will be presented.

Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / Ce mémoire fera une étude des concepts théorique et expérimentale reliée à la conception de modulateur à lumière lente par réseaux de Bragg. Dans ce travail, le phénomène de lumière lente est utilisé afin d'augmenter l'interaction entre la lumière et le modulateur. Ce régime de ralentissement est produit par la combinaison de cavités Fabry-Perot et de réseaux de Bragg. Cette combinaison est aussi connue comme étant un réseau de Bragg à saut de phase. En incluant ces éléments dans un modulateur Mach-Zehnder, le phénomène de lumière lente permet d'utiliser une longueur de déphasage plus courte ainsi qu'une puissance plus faible. La combinaison de tous ces facteurs permet de produire un modulateur avec un potentiel de performance plus élevé tout en réduisant l'espace occupé par le modulateur. Les modulateurs présentés utilisent tous la lumière lente. Un premier ensemble de modulateurs inclut des modulateurs compacts utilisant des électrodes à propagation d'onde ayant une longueur de 200 µm. Ils ont un potentiel de fréquence de coupure supérieure à 67 GHz à la fois pour une densité de dopage conventionnelle et pour une densité de dopage plus élevée. Pour encore augmenter la bande électro-optique en continuant de diminuer la tension de commande pour de longs déphaseurs, le second ensemble de modulateurs inclut un nouveau style d'électrode adapté à la lumière lente. Ceux-ci possèdent des lignes de délai qui permettent de compenser la différence de vitesse entre le signal électrique et le signal optique. Cette modification permet d'augmenter drastiquement la fréquence de coupure à la condition d'avoir une ligne de délai bien ajustée au délai optique. / This thesis will study the theoretical and experimental concept related to the design of Bragg grating slow-light modulators. In this work, the slow-light phenomenon is used to enhance the interaction between light and the modulator. This slow-light regime is enabled by the combination of both Fabry-Perot cavity and Bragg grating. This structure is also known as a phase shifted Bragg grating. By including those elements in a Mach-Zehnder modulator, the slow-light effect allows to use a shorter modulation length as well as a lower modulating power. Combining all those parameters allows to make a modulator with a higher performance potential, while reducing the footprint of the modulator. The presented modulators are all using slow-light structures. The first modulator set includes compact modulators using conventional travelling wave electrodes with 200 µm length. They exhibited potential of over 67GHz cut-off frequency for both conventional doping density and for a higher doping density. To further increase the electro-optical bandwidth while reducing the driving voltage with longer phase shifter, the second set of modulator includes a new style of electrodes adapted to slow-light. Those have delay line that allows to compensate for optical and electrical velocity mismatch. This modification allows to drastically increase the cut-off frequency of the modulator at the condition of having a delay line that is well adjusted to optical delay.

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

Les travaux de thèse reposent sur l'étude et le développement des structures photoniques sur niobate de lithium pour des applications capteurs de gaz. L'originalité du travail est d'étudier l'effet de l'absorption des couches de porphyrines spécifiques à la détection du benzène et déposées sur le cristal photonique sur la réponse spectrale de ce dernier. En premier lieu, une étude théorique par des méthodes numériques, maîtrisées au laboratoire d'optique (FDTD, PWE), était nécessaire pour étudier l'effet de la présence de certains gaz sur la réponse spectrale des cristaux photoniques. Nous avons montré qu'avec la structure choisie, une variation de la transmission de 23 % est obtenue lorsque le système est exposé à 50 ppm de benzène. La sensibilité de la structure au benzène est estimée à 2.3 ppm. En second lieu, nous avons étudié des réalisations en salle blanche des structures photoniques. En utilisant la méthode de gravure directe par faisceau d'ions focalisé (FIB), on a réalisé plusieurs cavités photoniques sur des guides d'ondes optiques fabriqués en collaboration avec Photline Technologies. Un banc de caractérisation automatisé (interface GPIB) en réflexion et en transmission est monté pour vérifier les prédictions théoriques. En plus, des études théoriques et expérimentales en champ proche optique ont été réalisées pour mettre en évidence la résonance des cavités gravées sur niobate de lithium. Ainsi, ces études expérimentales sont les premières sur ce type de matériau.

Les antennes optiques sont des structures qui permettent de convertir, dans les deux sens, l'énergie électromagnétique entre un faisceau lumineux et une source (ou un absorbeur) localisée en son sein. L'utilisation de résonateurs de taille inférieure à la longueur d'onde permet de réaliser cette fonction de manière efficace, sur une bande spectrale relativement étendue, et d'avoir une antenne compacte.La bonne connaissance des propriétés optiques de ces résonateurs, pris séparément, et de leurs couplages entre eux, est nécessaire pour pouvoir proposer des designs d'antenne efficaces.Dans cette thèse, en se basant sur la décomposition multipolaire des champs et sur la méthode de la matrice-T, on obtient des solutions analytiques rigoureuses pour des résonateurs sphériques et homogènes, dont on tire des modèles simplifiés, intuitifs, et proches de la solution exacte des équations de Maxwell.Entre autre résultats, ces modèles nous ont permis de proposer un design d'antenne optique compacte, directive, à taux de désexcitation et rendement quantique élevés en utilisant une structure hybride métal-diélectrique. Des collaborations avec des expérimentateurs ont permis de valider, d'une part les caractéristiques de chromophores auto-assemblés par ADN (S. Bidault à Paris), et d'autre part, la possibilité d'utiliser plusieurs résonances électriques et magnétiques combinées (supportées par des sphères diélectriques d'indice modéré, n=2,45) pour réfléchir ou bien collecter le rayonnement d'un émetteur dipôle électrique placé à proximité (expérience menée dans le régime micro-ondes par R. Abdeddaim et J-M. Geffrin). / Optical antennas are structures able to convert, in both ways, electromagnetic energy between a light beam and a source (or absorber) placed in the structure. The use of sub-wavelength resonators enables one to realize this function in an efficient way, on relatively broad bandwidths, and to have a compact design. A good understanding of the optical properties of such resonators, taken individually, and of their couplings, is thus necessary in order to propose efficient optical antenna designs. In this manuscript, using a multipole decomposition of the fields and a T-matrix method, we obtain rigorous analytical solutions for spherical, homogeneous resonators, from which we deduce simplified, intuitive models that are still very close to the exact resolution of the Maxwell equations.Among other results, those models enabled us to propose a nanoantenna design that is at once compact, radiative and efficient, by using a hybrid metallo-dielectric structure. Some collaborations with experimental groups enabled us to validate, on the one hand, the optical characteristics of hybrid chromophores that are self-assembled using a DNA template (S. Bidault, Paris), and on the other hand, the possibility of using multiple combined electric and magnetic resonances (supported by dielectric spheres of moderate refractive index, n=2.45) in order to reflect, or more importantly collect, radiation coming from an electric dipole emitter placed nearby (the experiment was realized in the microwave regime by R. Abdeddaim and J-M. Geffrin).

Diminuer l'épaisseur de la couche d'absorbeur est une solution attractive pour produire des cellules photovoltaïques à coût réduit. Cela permet également de réduire la quantité de matériau actif utilisé ainsi que d'améliorer la collection du courant dans la cellule. Cette thèse s'est focalisée sur la conception de nanostructures pour exalter l'absorption de la lumière dans des couches de semiconducteur d'épaisseur réduite et ainsi proposer des cellules ultraminces efficaces.Dans un premier temps, nous avons proposé une approche originale pour piéger la lumière dans une cellule ultra-fine (≤ 100 nm) en silicium amorphe. Un réseau métallique est placé en face avant de la cellule déposée sur un miroir métallique afin d'obtenir une absorption multi-résonante large bande pour les deux polarisations de la lumière. Nous proposons aussi d'utiliser le réseau métallique comme une électrode transparente alternative afin de réduire les pertes optiques dans le contact avant de la cellule. Une analyse numérique approfondie des mécanismes résonants en jeu a été menée ainsi que la fabrication et la caractérisation optique de démonstrateurs.Dans un deuxième temps, nous avons appliqué ce concept de contact avant multi-résonant à des couches ultra-fines en arsenure de gallium (GaAs). Nous avons montré numériquement et expérimentalement le potentiel d'une nanogrille métallique bi-dimensionnelle pour le confinement efficace de la lumière dans 25 nm de GaAs.Enfin, nous avons étudié la possibilité de réduire l'épaisseur de cellules en silicium cristallin d'un facteur 10 à 100 par rapport à l'état de l'art. Nous avons développé un procédé pour transférer des couches de silicium cristallin de quelques microns d'épaisseur épitaxiées par PECVD sur un substrat hôte bas coût. Nous avons également travaillé à la structuration contrôlée de nanopyramides en vue d'un piégeage optique efficace dans ces couches minces. / Reducing the absorber thickness is an attractive solution to decrease the production cost of solar cells. Furthermore, it allows to reduce the amount of material needed and improve the current collection in the cell. This thesis has been focused on the design of nanostructures to enhance light absorption in very small semiconductor volumes in order to achieve efficient ultra-thin solar cells. First, we have proposed an original light-trapping concept for ultra-thin amorphous silicon (a-Si:H) solar cells. A one-dimensional metallic grating is patterned on the front surface of the cell deposited on a metallic mirror. Broadband multi-resonant absorption has been demonstrated for both light polarizations. The metallic grating is also used as an alternative transparent electrode in order to reduce optical losses in the front contact. A detailed analysis of the multi-resonant absorption mechanism has been carried out through numerical calculations. The fabrication and optical characterization of ultra-thin a-Si:H solar cells with metallic gratings have validated the multi-resonant approach.Second, we have proposed a design with a two-dimensional metallic grid as a resonant front contact for very thin (25 nm) gallium arsenide (GaAs) layers. We have shown through the design and fabrication of a proof-of-concept structure the potential of metallic nanogrids to confine efficiently light absorption with an ultra-thin GaAs layer.Finally, advanced light-trapping structures could also allow a thickness reduction of crystalline silicon wafers of a factor 20 to 100 with respect to state-of-the-art cells. We have developed a process to transfer micron-thick epitaxial crystalline silicon (c-Si) layers onto a low-cost host substrate. Inverted nanopyramids have also been fabricated in crystalline silicon in order to achieve a broadband anti-reflection effect. It opens promising perspectives towards the realization of double-sided nanopatterned ultra-thin c-Si cells.

Afin d’adresser la problématique liée aux limitations des interconnections métalliques en termes de débits notamment, la photonique Si s’est imposée comme une technologie de choix. Un des composants de base des circuits photonique Si est le photodétecteur : Il permet de convertir un signal optique en signal électrique. Les photodétecteurs à base de Ge sur Si ont montré leur potentiel et offrent la meilleure alternative aux photodétecteurs III-V, pour une intégration dans les circuits photoniques Si.Dans ce contexte, les photodiodes à base de Ge su Si ont été étudiées. L’optimisation des photodiodes p-i-n a permis l’obtention de résultats à l’état de l’art. Une nouvelle approche utilisant une double hétéro-jonction latérale Si/Ge/Si a été proposée afin d’augmenter la responsivité mais aussi afin de proposer une meilleure solution d’intégration, avec les modulateurs Si notamment. Pour augmenter encore la sensibilité des récepteurs, l’utilisation de photodiodes à avalanche est cependant nécessaire. La structure SACM (Separate Absorption Charge Multiplication), combinant le faible bruit de multiplication du Si et l’absorption du Ge aux longueurs d’onde télécom, a d’abord été étudiée. Des modèles ont été développées afin d’optimiser le fonctionnement, et ces photodiodes ont été fabriquées et caractérisées. Les résultats obtenus sur des photodiodes éclairées par la surface (produit Gain-Bande passante de 560GHz à seulement -11V) sont très encourageant pour une intégration avec un guide d’onde. D’autre part, les photodiodes p-i-n en Ge sur Si, ont été étudiées en avalanche. La faible largeur de la zone intrinsèque a permis de diminuer le bruit de multiplication par effet « dead space », et le fonctionnement à 10Gbits/s pour un gain de 20 et une puissance optique de seulement -26dBm, pour une tension de -7V, sans utilisation d’amplificateur (TIA), a pu être démontré. Ces développements ouvrent ainsi la voie vers des récepteurs rapides, à faible consommation électrique et grande sensibilité. / To address the issue related to the limitations of metallic interconnects especially in terms of bitrate, Si photonics has become the technology of choice. One of the basic components of photonic circuits is the photodetector: It allows to convert an optical signal into an electrical signal. Photodetectors based on Ge on Si have shown their potential and offer the best alternative to III-V photodetectors, for integration into Si photonic circuits. In this context, the Ge on Si photodiodes have been studied. The optimization of pin photodiodes enabled the achievement of state of the art results. A new approach using a double lateral Si/Ge/Si heterojunction was proposed to increase the responsivity but also to provide a better integration solution, especially with Si modulators. To further increase the sensitivity of the receivers, the use of avalanche photodiodes, is however necessary. SACM (Separate Absorption Charge Multiplication) structure, combining Si low multiplication noise and Ge absorption at telecom wavelengths was first studied. Models have been developed to optimize the devices, and the photodiodes have been fabricated and characterized. The results obtained on the surface illuminated photodiodes (Gain-bandwidth product of 560GHz only -11V) are very encouraging for waveguide integration. On the other hand, Ge on Si pin photodiodes have been studied in avalanche. The small width of the intrinsic region contributed to the multiplication noise reduction thanks to "dead space" effect, and operation at 10Gbps for a gain of 20 and an optical power of -26dBm at only-7V, without using amplifier (TIA), have been demonstrated. These developments open the way to fast, low power consumption and high sensitivity receivers.

Les microlasers à base de polymères peuvent constituer un apport précieux pour le renouvellement des technologies et des fonctionnalités respectivement en amont et en aval de la photonique intégrée. Leur relative facilité de fabrication, leur compatibilité avec d'autres technologies (telle que celle des semi-conducteurs inorganiques), leur flexibilité structurelle à différentes échelles, de la molécules au sous-sytème, permettant d'élaborer plusieurs types d'émetteurs selon une grande diversité de cahiers des charges, ainsi que le faible indice de réfraction des matériaux qui facilite l'émission laser, prédestinent ces microlasers organiques à des applications potentielles allant des télécommunications optiques à la microdétection. Dans le présent travail, nous rapportons les résultats obtenus concernant la fabrication et la caractérisation des propriétés d'émission spectrales et spatiales de ces microlasers. La géométrie des cavités joue un rôle crucial dans ces dernières. Nous avons analysé quelques géométries standard telles que celle des polygones réguliers et avons identifié celles qui sont susceptibles d'exploitation dans la pratique. Nous avons ainsi étudié l'influence de la qualité de gravure sur des microlasers carrés dont la courbure des coins est contrôlée. Ces travaux nous ont permis de mettre en évidence la robustesse des résonances dans ce type de cavité et de préciser le rôle des coins sur le couplage externe. Une configuration assez originale a été proposée pour réaliser un microlaser unidirectionnel, combinant deux types de perturbation du disque : une déformation externe (en jouant sur la forme du contour) et une déformation interne (par introduction d'une ou plusieurs vacances circulaires). Cette étude a bénéficié de simulations numériques avec une modèle de rayons qui s'est révélé très prédictif et en bon accord avec les résultats expérimentaux. Quelques caractéristiques ayant trait plus spécifiquement à l'effet laser dans ces microrésonateurs organiques ont été également observées.

L'oscillateur optoélectronique (OEO) introduit en 1994 par S. Yao et L. Maleki fut le premier oscillateur microondes incorporant une fibre optique très longue afin d'obtenir une très haute qualité spectrale. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur des applications de l'OEO, un domaine encore peu exploré. L'idée directrice est d'étudier des variations contrôlées de la fréquence d'oscillation et de montrer la faisabilité d'applications correspondantes. Deux possibilités sont abordées ici pour modifier la phase du signal et donc la fréquence d'oscillation. La première consiste à modifier le chemin optique global du système. Après avoir montré la sensibilité du système à une modification de la longueur de boucle, nous avons appliqué ce principe à la mesure de l'indice de réfraction de diverses solutions chimiques avec une précision estimée à cinq millièmes environ. Des améliorations sont possibles et doivent permettre de gagner un ordre de grandeur. Dans la deuxième méthode le signal optique en sortie de la fibre est divisé en deux voies a priori équivalentes. En imposant une variation de l'amplitude du signal dans un des chemins il est possible lors de la recombinaison électronique de modifier la phase globale. Une technique utilisant un amplificateur optique à semi-conducteur conduit à la réalisation d'un OEO contrôlé en tension ; une modulation de fréquence permettant de travailler jusqu'à un indice de modulation d'environ 5,4 est alors mise en œuvre. Une deuxième technique fondée sur un circulateur optique terminé par un interféromètre à fibre permet, grâce à une compensation des effets thermiques, de mesurer par exemple le coefficient d'absorption d'un liquide.

Reproduction de : Thèse de doctorat : chimie et physico-chimie des polymères : Le Mans : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 209-210.