Dans la réalisation de circuits intégrés hybrides électroniques - photoniques pour les réseaux télécom, les modulateurs intégrés plasmoniques pourront jouer un role essentiel de codage de l'information en signaux optiques. Cette thése montre la réalisation d'une approche modulateur plasmonique a effet de champ, intégrée en silicium en utilisant les technologies CMOS standards. Ce modulateur MOS plasmonique présente diverses propriétés intéressantes, a savoir un confinement optique fort, permettant une augmentation de l'interaction lumiére matiére. Ces modulateurs plasmoniques permettent aussi de réduire l'inadéquation entre la taille des dispositifs en photonique Si et celle de l' électronique, ce qui permet d'envisager une convergence de leur fabrication en technologie VLSI sur une meme puce. Le modulateur étudié dans ce mémoire repose sur l'accumulation de porteurs dans un condensateur MOS a grille cuivre integer dans un guide d'onde en silicium, nécessitant aux technologies front end et back end Cu d etre combinés de quelques nanométres l'une de l'autre. Nous présentons aussi de nouveaux designs pour injecter de la lumiére a partir de guide d'onde SOI dans un guide a nanostructure plasmonique et les mesures d'une modulation électro-optique dans les structures MOS plasmoniques / Compact and low energy consumption integrated optical modulator is urgently required for encoding information into optical signals. To that respect, the use of plasmon modes to modulate light is of particular interest when compared to the numerous references describing silicon based optical modulators. Indeed, the high field confinement properties of those modes and the increased sensitivity to small refractive index changes of the dielectric close to the metal can help decrease the characteristic length scales of the devices, towards to that of microelectronics.This thesis investigates the realization of Si field-effect plasmonic modulator integrated with a silicon-on insulator waveguide (SOI-WG) using the standard CMOS technology. The material aspects and also the technological steps required in order to realize an integrated plasmonic modulator compatible with requirements of CMOS technology were investigated. First, we demonstrate a Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor (MNOS) stack for applications in electro-optical plasmonic devices, so that a very low optical losses and reliable operation is achieved. This objective is met thanks to a careful choice of materials: (i) copper as a metal for supporting the plasmonic mode and (ii) stoechiometric silicon nitride as an ultrathin low optical loss diffusion barrier to the copper. Final electrical reliability is above 95% for a 3 nm thick Si3N4 layer, leakage current density below 10-8 A.cm-2 and optical losses as low as 0.4 dB.μm-1 for a 13 nm thick insulator barrier, in agreement with the losses of the fundamental plasmonic mode estimated by 3D FDTD calculations, using the optical constant of Cu measured from ellipsometry. After demonstrating the MNOS as an appropriate structure for electro-optical CMOS plasmonics, we fabricate a vertical Metal-Insulator-Si-Metal (MISM) waveguide integrated with an SOI-WG, where the back metal was fabricated by flipping and molecular bonding of the original SOI wafer on a Si carrier wafer. The active device area varies from 0.5 to 3 μm2, 0.5 μm width and length varying from 1 to 6 μm.An efficient and simple way to couple light from Si-WG to vertical MISM PWG was experimentally realized by inserting a Metal-Insulator-Si-Insulator (MISI) coupling section between the two waveguides. We demonstrate that such couplers operates at 1.55 μm with the highest efficiency geometry corresponds to a compact length of 0.5 μm with coupling loss of just 2.5 dB (50 %) per facets. This value is 3 times smaller compared to the case of direct coupling (without any MISI section). High-k dielectrics are demonstrated as promising solution to reduce both the MISM absorption loss and the operation voltage. Given that interest, we experimental demonstrate an electrical reliable high-k stack for future applications to the MOS plasmonic modulators.A few μm long plasmonic modulator is experimentally investigated. Devices show leakage current below 10 fA through the copper electrodes based MOS capacitance. The accumulation capacitance (few fF) was found to scale with the surface of the device, in consistent with the expected equivalent oxide thickness of the MOS stack of our modulator. A low electro-absorption (EA) modulation showing capacitive behaviour was experimentally demonstrated in agreement with simulations. Finally, low energy consumption devices 6 fJ per bit was demonstrated.

Fondées sur des concepts théoriques plus complexes que les fibres optiques conventionnelles et d’une fabrication plus difficile, les fibres de Bragg en sont, plus de quarante ans après leur première proposition théorique, encore à leurs débuts. Le potentiel que leur confère leur mécanisme de guidage (dit « par bandes interdites photoniques ») reste, en grande partie, inexploré.Cette étude porte sur l’examen des performances des fibres de Bragg destinées au transport de fortes puissances. Pour cette application, la problématique est de concevoir une fibre permettant d’atteindre la plus grande Aire Effective possible pour son mode fondamental, tout en assurant une composition unimodale du faisceau de sortie. L’étude a été réalisée aussi bien d’un point de vue théorique, analytique, numérique qu’expérimental. Un modèle analytique permettant la modélisation des fibres de Bragg à grande Aire Effective et faibles contrastes d’indice lorsqu’elles sont exemptes de toute perturbation a tout d’abord été mis au point. Puis, le cas de l’application de macro-courbures sur les fibres de Bragg a été numériquement étudié. Enfin, le comportement des fibres de Bragg en la présence de micro-courbures a été expérimentalement analysé. Les performances des fibres de Bragg sont comparées à celles du profil de fibre le plus simple qui puisse exister : le profil saut d’indice. Les résultats numériques indiquent de meilleures performances pour les fibres de Bragg par rapport à cette solution lorsqu’elles sont exemptes de toute perturbation ou sujettes à des macro-courbures. Les premiers résultats indiquent que les sensibilités aux micro-courbures des deux types de fibre sont comparables. / Forty years after their first theoretical proposal, Bragg fibers are still in their infancy. Indeed, Bragg fibers are based on more complex theoretical concepts than conventional optical fibers and are more difficult to realize. Their potential due to their particular guiding mechanism (known as photonic bandgap) remains still largely unexplored. This study analyzes the performances of Bragg fibers for high-power delivery. For this application, the target is to design a fiber that reaches the largest possible Effective Area for the fundamental core-mode, while ensuring a single-moded output beam. The study was performed theoretically, analytically, numerically as well as experimentally. An analytical model for predicting the properties of Bragg fibers with large Effective Area and low-index contrast when they are no subjected to any perturbations has been first developed. Then, the case of the application of macro-bendings on the Bragg fiber has been studied numerically. Finally, the behavior of Bragg fiber in the presence of micro-bending has been experimentally investigated. Bragg fibers are compared to the simplest fiber profile that may exist: step index profile. The numerical results show better performances in the case of Bragg fibers when they are free from any perturbations or subjected to macro-bending. First results indicate that the sensitivities to micro-bending of the two types of fiber are comparable.

L’environnement électromagnétique d’un nanoémetteur a une grande influence sur son émission. Une interface diélectrique va par exemple accélérer son émission d’un facteur appelé facteur de Purcell. L’objectif ici est d’utiliser différents types de matériaux pour améliorer cette émission. Des émetteurs seront placés de manière déterministe sur une opale métallisée à l’endroit où le champ électrique est le plus intense : à l’interstice entre les billes de l’opale recouverte d’or. Les fortes interactions avec le champ électrique vont jouer un rôle dans l’accélération de l’émission. Les structures de piliers diélectriques pourraient également avoir un rôle sur l’émission d’un nanoémetteur et ces structures sont ici confrontées à un modèle de guide d’onde cylindrique. / The electromagnetic surrounding of an emitter can really affect its emission. A dielectric interface for example can accelerate the emission by a factor called the Purcell factor. The emitters will be deposited on top of a metalized opal in the region of high intense electric field: the interstices between the beads of the metallized opal. The strong interactions with the electric field will accelerate the emission of these emitters. In the near future, nanopilars could play the same role. Here the optical response of this structure is compared with an analytical model of a cylindrical waveguide.

L’intégration monolithique de matériaux semi-conducteurs III-V sur substrat de Silicium est essentielle pour le développement de la photonique sur Silicium. L’objectif est de réaliser une micro-source optique à base d’un réseau ordonné de Nanofils (NFs) III-V (InAsP/InP) placés sur un guide d’onde Si. De par leur aptitude à relaxer les contraintes, les NFs sont d’un grand intérêt. C’est dans ce contexte que s’est déroulée cette thèse axée sur la croissance autocatalysée de NFs InP sur Silicium par épitaxie directe. Nous avons ainsi montré que la croissance auto-catalysée de NFs InP denses et verticaux dépend directement de la nature de l’oxyde de surface du substrat Si. Une distribution monomodale ou bimodale de NFs ont été achevées en fonction des conditions de formation des gouttelettes d’indium ou des paramètres de croissance. Une pression critique et une température critique ont permis de délimiter des domaines favorables à la croissance. Les propriétés optiques intrinsèques des NFs ont été déterminées suffisantes pour l’objectif visé. Enfin, des résultats sur la simulation optique et la polarisation de la lumière émise dans les NFs et le guide d’onde ont permis d’établir un cahier des charges pour la croissance des NFs verticaux sur SOI pour que le couplage/partage de leurs modes optiques soit le plus efficace possible aux longueurs d’onde télécom. / Monolithic integration of III-V semiconductors materials on Si substrate is essential for the Si photonic development. We aim at achieving an optical microsource based on a regular array of III-V (InAsP/InP) nanowires (NWs) standing on top a Si waveguide. Due to their ability to be fully relaxed, nanowires growth is of deep interest. This PhD thesis has been oriented towards such context especially among self-catalyzed InP NWs growth by epitaxy. Thus we have shown that highly dense and vertical self-catalyzed InP NWs accomplishment is related to Si substrate surface oxide. A monomodal or bimodal NWs distribution have been reached through a control of indium droplets formation or growth parameters. A critical pressure and a critical temperature have been found to delimit favorable growth regime. Intrinsic optical properties have been determined to be goal sufficient. Optical simulation modeling and characterization of the polarization light state in NWs and in the Si waveguide have led us to establish functional specifications to grow vertical NWs on SOI as way that their optical modes could be coupled efficiently at telecommunications wavelength.

Dans cette thèse nous décrivons l'étude expérimentale et théorique d'un modulateur à électro-absorption (EAM) en vue de son intégration verticale sur un VCSEL (Laser à Cavité Verticale Emettant par la Surface) pour des communications optiques à très hautes fréquences. La modulation externe de la lumière émise par le VCSEL, alimenté en continu, permet de s'affranchir de la limite physique due à la dynamique des porteurs et devrait donc permettre d'augmenter la bande passante comparé à un VCSEL à modulation directe. Notre approche permet de considérablement diminuer la surface utile de par son intégration monolithique verticale et ainsi la consommation électrique. La première partie est consacrée au design du composant EAM-VCSEL. Tout d'abord nous expliquerons l'effet d'électro-absorption et comment le modéliser, sa combinaison avec la méthode de transfert matricielle, et son implémentation pour optimiser les paramètres physiques des puits quantiques tels que : l'épaisseur, la concentration d'aluminium dans les barrières et le champ électrique à appliquer. Ensuite, basé sur l'état de l'art des modulateurs verticaux, nous présenterons la conception d'une structure Fabry-Pérot asymétrique pour augmenter l'effet d'absorption dans la cavité. Cette structure optimisée du modulateur sera ensuite intégrée sur une structure standard de VCSEL tout en considérant le découplage optique entre ces cavités. Je présenterai ensuite la fabrication de ces composants complexes. Nous aborderons la croissance des structures EAM et EAM-VCSEL avec notamment l'optimisation de la calibration des cellules et les caractérisations après croissance. Ensuite nous présentons un procédé lift-off innovant visant à faciliter le procédé complet. Ce procédé sera utilisé pour fabriquer le modulateur afin de le caractériser en régime statique. Nous démontrons ainsi son fonctionnement en mesurant la réflectivité en fonction de la température et de la tension appliquée ce qui nous permet d'avoir une validation du modèle précédent. Nous présentons enfin la caractéristique LIV du modulateur-VCSEL ainsi que son spectre en longueur d'onde.[...] / In this PhD thesis, we describe experimental and theoretical studies on Electro-Absorption Modulator (EAM) for its vertical integration onto a Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) to reach high-speed modulation for optical communications. The external modulation of the emitted light by the VCSEL, biased in continuous-wave, avoids the physical limitation due to the carrier dynamics encountered in directly-modulated lasers and thus enables very high frequency bandwidth. Furthermore, this fully monolithic integrated approach decreases the footprint and thus the energy consumption. In the first part of the manuscript, we describe the design of the EAM-VCSEL device. First, we explain the electro-absorption effect and its modelling; its combination with the transfer matrix method, and the implementation of the combined model for optimization of the quantum well parameters: thickness, barrier Al-content and applied electric field. Then, based on the state-of-the-art of the vertical modulators, we design an Asymmetric Fabry-Perot modulator structure to improve the electro-absorption in the top cavity. This EAM structure is integrated onto a standard VCSEL device while considering the decoupling between the two cavities. I present afterwards the fabrication of these complex devices. The epitaxial growth of EAM and EAM-VCSEL structures is presented as an implementation of pre-growth calibration routine to achieve the expected characteristics and the post-growth characterization of the wafers. Then, we present an innovative technological solution used to facilitate the global process. We used a double resist stack for a self-aligned process for the modulator, useful for the mesa etch, the sidewalls passivation and the metallization, all realized with only one single photolithography step. This process is used for the static characterization of the EAM. We demonstrate the feasibility of these devices by carrying out static reflectivity measurements as a function of the temperature and the applied EAM voltage. This allows to validate the previous absorption model. We also present the static characterization of the EAM-VCSEL with LIV curves and spectrum measurements. [...]

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

Ce manuscrit s'attache au problème du design en photonique, à savoir déterminer la meilleure façon d'agencer des éléments nanométriques pour obtenir la réponse optique que l'on désire. Différents algorithmes sont testés. Un algorithme en particulier semble adapté à ce type de problème, et permet de retrouver des structures photoniques présentes dans la nature sur les carapaces de certains insectes ou les ailes de certains papillons. Appliqué à l'anti-reflet d'une cellule photovoltaïque, l'algorithme a permis de trouver une structure contre-intuitive mais particulièrement efficace, ce qui montre tout le potentiel de cette technique. / The present manuscript deals with the problem of the design in photonics, i.e. to determine which is the best way to assemble nanometric elements to reach a desired optical response. Different algorithms are tested. One algorithm in particular seems well adapted to this kind of problem, and allows to retrieve the most emblematic photonic structures which a present in nature on the tegument of insects or on the wings of butterflies. Applied to the case of an anti-reflective coating for a photovoltaic device, the algorithm has produced a particularly counter intuivite but efficient structure. This clearly demonstrates the potential of such an approach.

Cette thèse s’inscrit dans la conjoncture actuelle de la recherche et du développement des matériaux pour les énergies renouvelables et dispositifs optoélectroniques à bas coût. Nous avons développées des nouveaux matériaux de pérovskites 2D et 3D afin d’exploiter leurs propriétés originales dans le but de les intégrer dans un second temps dans des dispositifs photoniques et photovoltaïques. Le travail d’ingénierie moléculaire sur la flexibilité des pérovskites 2D a permis de moduler le gap optique, d’extraire des informations sur les propriétés excitonique ainsi que l’activation de la photoluminescence. Quant à la flexibilité de la mise en forme des nouvelles pistes ont été initiées. L’étude de cette pérovskite 3D spécialement MAPI est très utile pour les applications photovoltaïques. La connaissance des propriétés optiques, structurales et de transport est une clé majeure pour l’augmentation des rendements et la stabilité de ces cellules / This thesis is involved in the current situation of research and development of materials for renewable energy and optoelectronic devices at low cost.We have developed new 2D and 3D perovskite materials to exploit their unique properties in order to integrate them in a second time in photonic and photovoltaic devices. The molecular engineering work on flexibility perovskites 2D allowed to modulate the optical gap, to extract information about the properties excitonqiue as well as activation of the photoluminescence. As to the flexibility of the layout of the new tracks were initiated.The study of this 3D perovskite especially MAPI is very useful for photovoltaic applications. The knowledge of the optical properties, structural and transport is a major key to increased yields and stability of these cells.

Ce mémoire vise à étudier la gestion de la polarisation et est axé sur la conception, la simulation et la fabrication d'un rotateur séparateur de polarisation (PSR) sur des plates-formes en silicium en utilisant une structure combinant un cône adiabatique à deux niveaux et un coupleur adiabatique. Après une introduction sur les systèmes de communication optique, spécifiquement sur les systèmes photoniques intégrés, nous introduisons le silicium sur isolateur (SOI) comme plateforme la plus attrayante pour notre circuit photonique intégré. Bien que la propriété intrinsèque de contraste élevé de SOI entraîne la petite taille de la puce, cette propriété entraîne également une forte dépendance de polarisation pour les dispositifs silicium photoniques (SiP). Pour résoudre le problème et supprimer cette dépendance, des circuits de diversité de polarisation ont été proposés et il est important de traiter la gestion de la polarisation sur la puce. Dans ce mémoire, le principe général de fonctionnement de la gestion de la polarisation est étudié en profondeur. Comme la rotation de polarisation est la fonction la plus importante de la gestion de la polarisation, nous nous concentrons sur les principes de base de la rotation de polarisation dans un dispositif à section unique. Nous discutons également de différents types de rotateurs de polarisation et donnons une introduction à l'évolution historique des rotateurs de polarisation. Enfin, les séparateurs de polarisation sont présentés comme le deuxième élément important dans la gestion de la polarisation, et différents types de séparateurs de polarisation sont présentés. Pour gérer efficacement la polarisation, il est essentiel de développer un PSR haute performance. Par conséquent, nous introduisons une structure efficace qui est basée sur la conversion de mode TM0-TE1 dans une conicité (taper) à deux niveaux sur SOI. Nous expliquons et motivons ce choix. Ensuite, nous décrivons la modélisation avec le logiciel Lumerical Finite Difference Time Domain (FDTD) ; les résultats de la simulation fournissent l'évolution des profils d'intensité des modes le long du dispositif. Par la suite, nous présentons les détails de la disposition sur la carte (layout) pour la fabrication et la caractérisation éventuelle des conceptions utilisant des coupleurs de bordure (edge couplers), ainsi que des conceptions utilisant des coupleurs à réseau (grating couplers). Pour évaluer la performance du PSR conçu pour deux applications différentes, nous proposons un modèle mathématique et iv les matrices de transfert. Enfin, la performance du PSR proposé est analysée dans un système de communication optique. / This thesis aims to study polarization management, and focuses on design, simulation and fabrication layout of a polarization splitter rotator (PSR) on silicon platforms by utilizing a structure combining an adiabatic bi-level taper and an adiabatic coupler. Following an introduction about optical communication systems and specifically integrated photonic systems, we introduce silicon-on-isolator (SOI) as the most attractive platform for our integrated photonic circuit. Although the intrinsic high-index contrast property of SOI leads to a very small footprint, this property also results in high polarization dependence for silicon photonic (SiP) devices. To solve the problem and remove this dependency, polarization diversity circuits have been proposed and it is important to deal with on-chip polarization management. In this thesis, the general operating principle of polarization management is thoroughly studied. As polarization rotation is the most important function of polarization management, we concentrate on the basic principles of polarization rotation in a single section device. We also discuss different types of polarization rotators and give an introduction to the historic evolution of polarization rotators. Finally, polarization beam splitters are introduced as the second important element in polarization management, and different types of polarization splitters are presented. To efficiently manage polarization, it is critical to develop a high performance PSR. Therefore, we introduce an efficient structure that is based on TM0-TE1 mode conversion in a bi-level taper on SOI. We explain and motivate that choice. Afterwards, we describe the modeling in Finite Difference Time Domain (FDTD) Lumerical software; simulation results provide the evolution of mode intensity profiles along the device. Subsequently, we present the layout details for fabrication and eventual characterization for designs using edge couplers, as well as designs using grating couplers. To evaluate the performance of the designed PSR for two different applications, we propose a mathematical model and the transfer matrices. Finally, the performance of the proposed PSR is analyzed in an optical communication system.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 juin 2023) / Le polydiméthylsiloxane (PDMS) est un matériau polyvalent en raison de sa biocompatibilité, de son inertie, de sa durabilité, de son élasticité, de sa transparence, de son faible coût, de sa grande disponibilité et de sa facilité de fabrication. Ce matériau a prouvé son importance dans de nombreux domaines en agissant comme matériau hôte pour les nanoparticules et le milieu de gain pour produire un système laser aléatoire largement ajustable. La photosensibilité des matériaux est un paramètre clé pour la fabrication de dispositifs pour une variété d'applications telles que les télécommunications, la détection et les lasers. Par conséquent, cette thèse porte sur une méthodologie expérimentale de fabrication de nouveaux matériaux photosensibles à base de PDMS ainsi que sur l'élaboration d'un laser aléatoire élastomère stable (SERL) composé en combinaison avec un matériau inorganique, Nd:YAB (NdxY1-xAl₃B₄O₁₂), les intégrer dans des guides d'ondes photoniques en silicone et explorer leurs applications. Tout d'abord, des stratégies ont été développées pour rendre le PDMS photosensible pour l'écriture femtoseconde (fs). Nous avons utilisé un laser femtoseconde pour écrire directement dans les PDMS, ainsi que de matériaux vitreux photosensibles sous la forme de PDMS chargés de nouveaux dérivés de germanium (Ge) et d'autres initiateurs pouvant agir en tant que photosensibilisateurs, afin d'obtenir le changement d'indice de réfraction le plus élevé sans compromettre de manière significative, conduisant à une écriture optimale de guides d'ondes ou de dispositifs photoniques dans un tel hôte souple. De plus, des réseaux de diffraction de Bragg hautement accordables ont été intégrés à l'intérieur des PDMS. Pour le développement de futurs dispositifs, nous avons exploré l'effet de l'écriture laser fs sur la structure du polymère ainsi que de leurs propriétés mécaniques et optiques. Ensuite, dans la deuxième approche de cette étude de doctorat, un système de laser aléatoire élastomère (SERL) très stable composé de deux matériaux stables : nanoparticules inorganiques Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓ Al₃(BO₃)₄) et polydiméthylsiloxane (PDMS) a été fabriqué. Ce RL très stable est le premier système élastomère, donc accordable, qui permet l'étude systématique de la stabilité. Nous avons pu explorer les aspects d'adaptabilité du système RL en étirant le composite PDMS et en explorant l'aspect multidirectionnel du laser. En tant qu'application nécessitant un fonctionnement à long terme, un comportement statistique de type Lévy a également été démontré. / Polydimethylsiloxane (PDMS) is a versatile material due to its biocompatibility, inertness, durability, elasticity, transparency, low cost, wide availability, and ease of manufacture. This material has proved its importance in many fields by acting as a host material for nanoparticles and gain medium to produce a widely tunable random lasing system. Photosensitivity of materials has been shown to be a key parameter for the fabrication of devices for a variety of applications such as in telecommunications, sensing and lasers. Hence, this thesis involves the experimental methodology for fabricating novel photosensitive materials based on PDMS as well as the realization of a Stable Elastomeric Random Laser (SERL) composed in combination with an inorganic material, Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓAl₃B₄O₁₂), for integration into silicone photonic waveguides and exploration of potential applications. Firstly, a strategy has been developed to render PDMS photosensitive for femtosecond (fs) writing. We then used a femtosecond laser to write directly into PDMS, as well as into a new photosensitive glassy material in the form of PDMS loaded with novel germanium (Ge)-derivatives and other initiators as photosensitizers. This combination yielded a higher refractive index material for optimal writing of waveguides or photonic devices in a very soft host. In addition, for the first time to the best of our knowledge, highly tunable Bragg diffraction gratings were embedded inside the bulk PDMS. For future device engineering, the effect of fs laser writing on the polymer structure, mechanical and optical properties has been explored. Then, in the second approach of a very stable elastomeric random laser (SERL) system composed of two stable materials: inorganic Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓ Al₃(BO₃)₄)-nanoparticles and polydimethylsiloxane (PDMS) has been fabricated. This very stable RL is the first elastomeric system, hence tunable, which allows the systematic investigation of stability. The tunability aspects of the RL system has been investigated by stretching the PDMS composite and explored the multi-directionality of lasing. As an application which requires long term operation, Levy-like statistical behavior were also demonstrated.