Ce travail est consacré à l'épitaxie en phase gazeuse d'organométallique de nanostructures de nitrures en forme de fil et de pyramide, pour lesquelles nous cherchons à comprendre les mécanismes de croissance mis en jeu. Une étude paramétrique complète est présentée pour optimiser et mieux appréhender la croissance de nanofils GaN auto-assemblés non-catalysés. Nous démontrons notamment que l'injection de silane est un paramètre-clé pour la croissance des nanofils grâce à la formation d'une couche SiNx de passivation sur les facettes latérales qui joue le rôle d'un masque favorisant ainsi la croissance verticale. Un nouveau procédé de croissance de nanofils sans silane est aussi proposé dans ce travail en utilisant de très faibles flux de précurseurs qui favorise la formation de facettes verticales. De tels nanofils présentent d'excellentes propriétés structurales et optiques grâce à l'absence de silicium. Par ailleurs, nous montrons que la polarité joue un rôle crucial sur la croissance des nanostructures de GaN puisque la forme des nanostructures peut être simplement déterminée par l'orientation de la polarité: une polarité N résulte en fils alors qu'une polarité Ga en pyramides. Par conséquent, la forme fil/pyramide des nanostructures peut être directement choisie en contrôlant la polarité sur des substrats de saphir ou de GaN. Nous avons justement exploité cette méthode pour obtenir des réseaux ordonnés de fils et de pyramides de GaN en utilisant la croissance sélective à travers un masque nanostructuré par lithographie. De telles nanostructures ont été utilisées pour la croissance d'hétérostructures InGaN/GaN pour obtenir soit des puits quantiques non-polaires sur les flans des nanofils, soit des boîtes quantiques d'InGaN aux sommets des pyramides. / This work reports the metal-organic vapour phase epitaxy of III-Nitride wire- or pyramid-shaped nanostructures and focuses on the growth mechanisms related to these two types of GaN nanostrcutures. A complete parametric study is presented in order to optimize and to understand the catalyst-free self-assembled GaN nanowire growths. We demonstrate that the silane flux injection is a key-parameter for nanowire growth thanks to the formation of SiNx passivation layer along the sidewall facets that acts as a mask favoring the vertical growth. A novel silane-free nanowire growth is also proposed in this work using ultra-low precursor flux that favors the formation of vertical facets. Such nanowires exhibit excellent structural and optical properties due to the absence of silicon. In addition, the polarity is found to play a key-role for GaN nanostructure growth, since the nanostructure shape can be basically determined by the polarity orientation: N-polar nanostructure results in wire, whereas Ga-polar in pyramid. Consequently, the shape wire/pyramid of nanostructure can be chosen depending on the polarity control on sapphire or GaN substrates. This method is applied to get ordered arrays of GaN wires and pyramids using selective area growth on patterned mask. Such nanostructures can be used as template for InGaN/GaN heterostructure growth to get either non-polar multi-quantum wells along the wire sidewalls or InGaN quantum dots at the pyramid apex.

L’inscription par laser femtoseconde directe dans les cristaux laser offre une nouvelle opportunité de conception et développement de sources laser intégrées. Elle conduit à un prototypage rapide et à un bon rapport coût-efficacité, conformément aux futures feuilles de route de la photonique. Cependant, les défis liés au dépôt d’énergie d’un laser intense dans des milieux transparents et les modifications qui s’ensuivent restent encore des questions ouvertes. Ces défis ont été relevés en partie grâce à une étude minutieuse et systématique des zones modifiées par laser femtoseconde dans les matériaux transparents. Le fluorure de calcium (CaF2), en raison de sa symétrie cubique et de ses excellentes propriétés de luminescence en tant que cristal laser, a été choisi comme matériaux de référence dans cette thèse. L’inscription laser en régime femtoseconde de guides d’ondes à l’intérieur de ce cristal a été réalisée pour une conception future de source laser intégrée. Pour la première fois, des écritures laser « lisses » et non réciproques ont été observées à l’intérieur de certains échantillons « coupés spécialement » de cristaux de CaF2. De plus, un guidage de la lumière dépendant de la polarisation a été identifié et est présenté. Un modèle et une méthode ont été développés pour caractériser quantitativement et qualitativement ces guides d’ondes, en particulier pour les mesures de perte de transmission, ainsi que les cartographies tridimensionnelles de l’indice de réfraction des zones modifiées. / Femtosecond laser micromachining inside laser crystals offers a new platform to miniaturize highly compact laser sources. It leads to rapid prototyping and cost-effectiveness in line with the future photonics roadmaps. However, the challenges in relation to an intense laser pulse energy deposition within transparent media and the modifications that follow still remain open-ended questions. These challenges have been addressed with a careful and systematic study of femtosecond modified zones inside transparent materials. Due to its cubic symmetry and excellent luminescence properties as laser crystal, Calcium Fluoride (CaF2) was selected, and ultrafast laser inscription of waveguides inside this crystal was realized. Smooth and non-reciprocal writings were observed inside certain “specially cut” samples of the CaF2 crystals for the first time. Additionally, polarization dependent guiding is identified and presented. Furthermore, an authentic model and concept was engaged for the quantitative and qualitative characterization of the waveguides, particularly for the transmission loss measurements and the three-dimensional refractive index mappings of the modified zones.

Le but de cette thèse est d'atteindre l'état de mouvement fondamental sur des disques optomécaniques en arseniure de gallium. La mécanique quantique prévoit en effet que la quantité d'énergie d'un système physique (mécanique ou autre) ne peut jamais être réduite totalement à zéro. Il existe cependant un état de plus basse énergie, que l'on appelle l'état fondamental. L'effet physique utilisé pendant cette thèse pour extraire de l'énergie du système (et ainsi atteindre l'état fondamental) est le couplage opto-mécanique. Les micro-disques supportent des résonances optiques à symétrie axiale appelées modes de galerie ainsi que des résonances mécaniques appelées modes de respiration. Le couplage entre ces deux modes peut être intuitivement compris comme suit: lorsque le disque "respire" mécaniquement, la circonférence du disque ressentie par le mode optique change, ce qui induit un décalage de sa longueur d'onde de résonance. A l'inverse, le mode optique exerce une pression de radiation sur les parois du disque, qui peut amplifier ou atténuer le mouvement mécanique. Le refroidissement opto-mécanique est d'autant plus efficace que les résonances (optique comme mécanique) ont de faibles taux de dissipation. Une grande partie de ce travail de thèse à donc été dédiée à la réduction de ces pertes. Des efforts technologiques ont permis d'obtenir des structures lisses et régulières, pour éviter la diffusion (et donc la dissipation) de lumière par rugosités. Afin de réduire la dissipation mécanique, une structure novatrice incluant des boucliers mécaniques à été développée, et à permis de réduire la dissipation mécanique d'un facteur 100. L'état du système après refroidissement opto-mécanique dépend par ailleurs de sa température initiale. Il est donc avantageux de placer l'échantillon dans un cryostat. L'appareil utilisé au cours de cette thèse permet de refroidir l'échantillon jusqu'à une température de 2,6 K. Les expériences de photonique en environnement cryogénique imposant des contraintes en terme de stabilité, il a été nécessaire de d'opter pour une approche avec guide d'onde intégré. Le développement de guides d'ondes entièrement suspendus a permis d'apporter et de collecter la lumière depuis le disque de manière optimale. Toutes ces efforts ont permis de descendre à un taux d'occupation mécanique de 30 quanta. Cependant de nombreuses améliorations peuvent encore être implémentées, afin d'ancrer ces résonateurs fermement dans l'état fondamental, ce qui permettrait d'effectuer par exemple des expériences d'intrication quantique / The main goal of this PhD work has been to reach the quantum ground state on gallium arsenide optomechanical disks. Quantum mechanics predict that the amount of energy within a given system cannot be brought to zero. Nevertheless a state of minimal energy exists, called the ground state. The physical mechanism used to extract energy from the system (and thus reach the ground state) is the optomechanical coupling. The miniature disks support optical and mechanical resonances, respectively called whispering gallery modes and radial breathing modes. The coupling between these two modes can be intuited as follows: when the disk breathes mechanically, its perimeter increases. The optical mode evolves now in a wider cavity, and its resonance wavelength therefore changes. Conversely, the optical mode exerts radiation pressure on the disk boundaries, which can either amplify or damp the mechanical motion. Optomechanical cooling is more efficient if the dissipation rates of the optical and mechanical resonances are low. An important part of this PhD work has therefore been dedicated to the reduction of dissipation. Technological efforts have been made to fabricate smooth and regular structures, so as to limit optical scattering. A novel approach consisting of a mechanical shield has allowed to reduce mechanical damping by a factor of 100. The system state after optomechanical cooling depends on its initial temperature. It is therefore advantageous to place the system in cryogenic environment prior to starting the optomechanical cooling. The apparatus used throughout this PhD work can cool the optomechanical device down to 2.6 K. As optical experiments in cryogenic environment require a good mechanical stability, it is necessary to opt for fully integrated devices where the optomechanical resonator and the waveguide bringing the light to it are processed on the same chip. The development of fully suspended waveguides has moreover allowed to inject and collect light from the device more efficiently. All these improvements have allowed to reach a state of 30 excitation quanta in the mechanical resonator. However many ideas can still be tried to keep enhancing the devices, so as to anchor them more firmly in the ground state. This would open the way to more advanced experiments, such as entanglement of mechanical oscillators

Les gamètes femelles appelés ovocytes sont produits par un type spécifique de division cellulaire appelée méiose. Afin de produire des gamètes haploïdes, et contrairement aux divisions mitotiques des cellules somatiques, la méiose implique une seule étape de réplication du génome suivie de deux étapes de ségrégation des chromosomes. La fidélité de la ségrégation des chromosomes pendant la méiose est cruciale pour éviter l’aneuploïdie embryonnaire qui entraînerait des défauts de développement ou un avortement spontané. Dans la plupart des types cellulaires, la ségrégation des chromosomes repose sur un fuseau composé de microtubules. En parallèle à l'assemblage du fuseau, des complexes multi-protéiques appelés kinétochores s’assemblent sur le côté des chromosomes et leur permettent d’interagir avec les microtubules dynamiques du fuseau. Étonnamment, la ségrégation des chromosomes dans l'ovocyte de C. elegans se déroule d'une manière atypique indépendante des kinétochores. Le mécanisme alternatif utilisé dans ces oocytes pour la ségrégation des chromosomes est cependant inconnu. Au cours de mon doctorat, j'ai utilisé une combinaison d'imagerie photonique à haute résolution temporelle, corrélée à de la microscopie électronique à haute résolution spatiale. J’ai également utilisé de la photoablation par laser des microtubules et réalisé l'inhibition ciblée de protéines clés pour disséquer le mécanisme atypique de ségrégation des chromosomes dans l'ovocyte de C. elegans. Mes résultats montrent que la ségrégation des chromosomes est produite par une force dépendante des microtubules qui pousse les chromosomes. Par une analyse détaillée de l’organisation des microtubules dans des fuseaux en anaphase partiellement reconstruits par microscopie électronique en tomographie, je propose un modèle impliquant la génération de force par l'allongement d’un réseau de courts microtubules formant le fuseau central. De plus, je démontre que l'activité de l'orthologue de CLASP chez C. elegans (CLS-2) est essentielle pour l'assemblage du fuseau en anaphase. Ce travail est actuellement sous presse dans le journal Nature Communications. Parallèlement, j'ai disséqué le rôle de CLS-2 dans l'assemblage du fuseau d'ovocytes et la ségrégation chromosomique. J'ai perturbé de manière systématique les domaines individuels et les résidus conservés de manière évolutive dans CLS-2 pour déterminer leur contribution à la fonction et à la localisation de cette protéine pendant la première méiose femelle. Dans l'ensemble, mes résultats montrent que la ségrégation chromosomique dans l'ovocyte de C. elegans consiste en un mécanisme de poussée chromosomique atypique et dépendant de CLS-2. / Female gametes called oocytes are produced through a specific type of celldivision termed meiosis. In order to produce haploid gametes, and unlike mitoticdivisions of somatic cells, meiosis involves a single round of genome replication followed by two rounds of chromosome segregation. Accuracy of chromosome segregation during meiosis is crucial to avoiding embryonic aneuploidy that wouldlead to developmental defects or spontaneous abortion. In most cell types,chromosome segregation relies on a microtubule-based spindle. Concomitant tospindle assembly, multi-protein complexes termed kinetochores assemble on the side of chromosomes and couple microtubule dynamics to chromosomal movements. Strikingly, in the C. elegans oocyte chromosome segregation occurs in an atypical kinetochore-independent manner. The alternative mechanism used in these oocytes for chromosome segregation is however unknown. During my PhD, I used a combination of high spatial and temporal resolution live imaging, correlated light and electron tomography, laser-mediated photoablation of microtubules, and targeted inhibition of key proteins to dissect this a typical mechanism of chromosome segregation in the C. elegans oocyte. Myresults show that chromosome segregation is driven by a microtubule-dependent force that pushes the segregating chromosomes apart during anaphase. Aftercareful analysis of partially reconstructed anaphase spindles by electrontomography for microtubule quantity, length, orientation, and overlaps, I proposea model involving the elongation and/or sliding of tiled microtubules in the central spindle as the candidate structure responsible for this force generation. Additionally, I demonstrate that the activity of the C. elegans CLASP ortholog CLS-2 is essential for proper anaphase spindle assembly. This work is currently in press at Nature Communications.In parallel, I have more closely examined the role of the C. elegans CLS-2 in oocyte spindle assembly and chromosome segregation. I have thoroughly and systematically perturbed the individual domains and evolutionarily conserved residues in CLS-2 to determine their contribution to the function and localization ofthis protein during the first female meiosis. Overall my results show that chromosome segregation in the C. elegans

La méta-optique non linéaire tout diélectrique suscite un vif intérêt, grâce à la faisabilité de nanostructures à contraste élevé et indice de réfraction disponible avec la lithographie à semi-conducteurs. Alors que des effets nonlinéaires au troisième ordre ont été rapportés dans les nanoantennes silicium sur isolant, la plate-forme AlGaAs-sur-isolant a récemment permis la démonstration de la génération de la seconde harmonique, dû à la noncentrosymétrie de ce matériel. Cette thèse illustre notre activité récente sur les nanoantennes non linéaires AlGaAs-sur-AlOx, où AlOx est obtenu par attaque chimique sélective par voie humide d'une couche épitaxiale d'AlGaAs riche en aluminium d'une épaisseur de quelques micromètres. Un tel substrat à faible indice de réfraction permet de découpler efficacement les modes nanoantenna de la tranche de GaAs (100) sous-jacent. La thèse présente d'abord les méthodes numériques, expérimentales et technologiques utilisées. Une analyse des résultats obtenus dans la génération de signaux non linéaires dans des nanoantennes simples et dans des structures complexes est ensuite présentée. Tous nos résultats expérimentaux ouvrent la voie à la génération et à la manipulation de signaux non linéaires à l'échelle nanométrique et pointent vers des applications telles que l'holographie non linéaire, la goniométrie sans fond et la vision nocturne. / All-dielectric nonlinear meta-optics is attracting a great deal of interest thanks to the feasibility of high refractive-index contrast nanostructures available with semiconductor lithography. While third order nonlinear effects have been reported in silicon-on-insulator nanoantennas, the AlGaAs-on-insulator platform has recently enabled the demonstration of second harmonic generation, owing to the non-centrosymmetry of this material. This PhD thesis illustrates our recent activity on AlGaAs-on-AlOx nonlinear nanoantennas, where AlOx is obtained from selective wet etching of micrometer-thick aluminium-rich AlGaAs epitaxial layer. Such a low refractive index substrate allows to effectively decouple the nanoantenna modes from the underlying GaAs (100) wafer. The thesis first introduces the numerical, experimental and technological methods employed. Afterwards, a review of the results obtained in nonlinear signal generation in single nanoantennas and in complex structures is given. All our experimental results pave the way towards nonlinear signal generation and manipulation at the nanoscale, and point towards applications such as nonlinear holography, background-free goniometry and night vision.

Nous assistons cette dernière décennie au développement considérable de l'utilisation des matériaux organiques en tant que matériaux fonctionnels pour l'électronique. Les possibilités de la chimie alliées à l'ingénierie moléculaire ouvrent en effet la voie à la réalisation de matériaux optimisés dans leur fonctionnalité depuis l'échelle de la molécule jusqu'à celle du composant. <br />Notre démarche d'ingénierie consiste à identifier les spécificités des matériaux organiques en optoélectronique, à les modéliser et à les mettre en oeuvre, en exploitant toujours au mieux leur caractère original et innovant au regard de ce que d'autre matériaux font déjà. Elle nous a conduit à mettre en évidence des fonctions propres aux matériaux organiques. Ces fonctions spécifiques ouvrent des applications auparavant inimaginables avec d'autres matériaux. Les applications à la limitation optique et aux diodes photovoltaïques en sont deux exemples typiques. La richesse et la diversité des matériaux organiques permettent d'étendre leur champ d'applications à de nombreux autres domaines comme les bio- capteurs et les nano-technologies. La possibilité d'utiliser des molécules photo-sensibles agissant comme des moteurs moléculaires mus sous l'action de la lumière permet de réaliser des structure photoniques. L'optique non-linéaire est ici utilisée comme outil de fabrication

Grâce à l'amélioration des technologies de fabrication, la nanophotonique, et plus particulièrement les cristaux photoniques (structures périodiques à l'échelle de la longueur d'onde) ont connu un fort développement récemment. Dans ce manuscrit, nous utilisons la microscopie en champ proche optique pour étudier de tels composants.<br />Dans la première partie de ce travail, nous utilisons la sonde locale du microscope pour imager la distribution de la lumière au sein de cavités à cristal photonique réalisées dans un semiconducteur III/V. Nous nous sommes intéressés à expliquer la formation des images optiques en champ proche et à visualiser l'influence de la sonde sur ces images. Ainsi, nous avons pu observer des levées de dégénérescence de mode de cavité et des modes de cavité invisibles en champ lointain. Enfin, pour des cavités à- mode de Bloch, nous avons pu déterminer expérimentalement les courbes de dispersion du cristal photonique.<br />Dans la seconde partie de ce travail, nous utilisons la sonde locale du microscope pour contrôler les propriétés de nanorésonateur formés à partir de cavité à cristal photonique à faible volume modal et grand facteur de qualité. Nous avons étudié l'interaction entre la sonde et le résonateur d'un point de vue théorique et expérimental. Aussi, nous avons pu montrer la complémentarité d'une mesure en mode interaction et en mode collection. De plus, nous avons proposé des fonctionnalités opto-mécaniques en champ proche optique.

Par une structuration périodique de l'espace à l'échelle de la longueur d'onde, les cristaux photoniques permettent un contrôle efficace de la lumière. Nos travaux concernent l'exploitation des propriétés de ces cristaux pour définir une cavité planaire de diode laser et pour en proposer un contrôle de l'émission. Une première partie présente l'étude de guides définis par des cristaux photoniques bidimensionnels obtenus dans une hétérostructure semi-conductrice par la réalisation de trous. Différents comportements modaux sont analysés selon le point de fonctionnement choisi. Nous montrons qu'une émission monomode de type DFB (Distributed Feedback) peut être obtenue. La deuxième partie concerne la démonstration expérimentale de diodes laser à cristaux photoniques bidimensionnels fonctionnant sous pompage électrique. Les caractéristiques spectrales et modales sont analysées et elles permettent de valider l'étude théorique. Une émission monomode avec un taux de réjection des modes secondaires supérieur à 35 dB a été obtenue. Dans la dernière partie, nous proposons une approche originale du contrôle spectral basée sur une déformation de la maille du cristal photonique selon l'axe latéral de la cavité laser. Il est alors montré qu'une telle déformation permet d'accéder à un contrôle de la longueur d'onde d'émission à 0,4 nm près, tout en restant compatible avec les contraintes technologiques liées à la réalisation d'un cristal photonique. D'autre part, nous démontrons expérimentalement que ce type de déformations peut être mis à profit pour améliorer les caractéristiques d'émission laser des dispositifs étudiés grâce à une ingénierie de la bande interdite photonique.

Ce travail de thèse s'intéresse aux propriétés optiques de deux types de structures photoniques: les cavités de cristal photonique planaire et les opales, qui sont des cristaux photoniques à trois dimensions. Dans une première partie, les propriétés de résonances de cavités de type L3 sont étudiées à l'aide d'un dispositif original de spectroscopie de diffusion, qui permet une analyse des modes de cavité en polarisation et en longueur d'onde., ainsi que la détermination de leur facteur de qualité. Les résultats expérimentaux sont comparés à des calculs de FDTD 3D, avec un bon accord. Cette nouvelle méthode est appliquée à l'étude de l'influence de la géométrie de la cavité sur les modes, et met en évidence les paramètres à varier intéressants pour une ingénierie efficace de leurs propriétés. Dans une seconde partie, les propriétés de la bande interdite d'une opale sont étudiées par goniométrie optique. Les caractéristiques structurelles de l'échantillon sont déterminées par une méthode originale fondée sur l'étude du diagramme de bandes de l'opale. Ainsi, l'indice effectif de l'opale est déterminé par centrage de l'anticroisement expérimental au point K de la zone de Brillouin. L'accord avec les mesures ellipsométriques est satisfaisant.. Cette valeur de l'indice est capitalisée par l'interprétation de deux phénomènes mal compris dans la littérature jusqu'à présent: l'observation du pic de réflexion secondaire aux angles de détection spéculaire, et l'annulation du pic de réflexion de polarisation p aux angles proches de l'angle de Brewster.

L'optique non linéaire traite les modifications des propriétés optiques d'un matériau induites par la propagation de la lumière. Depuis ses débuts, il y a cinquante ans, des nombreuses applications ont été démontrées dans presque tous les domaines de la science. Dans le domaine de la micro et nano-photonique, les phénomènes non linéaires sont à la fois au cœur d'une physique fondamentale fascinante et des applications intéressantes: ils permettent d'adapter et de contrôler le flux de lumière à une échelle spatiale inferieure à la longueur d'onde. En effet, les effets non linéaires peuvent être amplifiés dans des systèmes qui confinent la lumière dans des espaces restreints et avec de faibles pertes optiques. Des bons candidats pour ce confinement sont les nanocavités à cristaux photoniques (CPs), qui ont été largement étudiées ces dernières années. Parmi la grande diversité des processus non linéaires en optique, les phénomènes dynamiques tels que la bistabilité et l'excitabilité font l'objet de nombreuses études. La bistabilité est bien connue pour ces applications potentielles pour les mémoires et les commutateurs optiques et pour les portes logiques. Une réponse excitable typique est celle subjacente dans le déclanchement du potentiel d'action dans les neurones. En optique, l'excitabilité a été observée il y a une quinzaine d'années. Dans ce travail, nous avons étudié les régimes bistables, auto-oscillants et excitables dans des nanocavités semiconductrices III-V à CP. Afin de coupler efficacement la lumière dans les nanocavités, nous avons développé une technique de couplage par onde évanescente en utilisant une microfibre optique étirée. Grâce à cette technique, nous avons démontré pour la première fois l'excitabilité dans une nanocavité à CP. En parallèle, nous avons accompli la première étape vers la dynamique non linéaire dans un réseau de cavités couplées en démontrant le couplage optique linéaire entre nanocavitités adjacentes. Ceci a été réalisé en utilisant de mesures de photoluminescence en champ lointain. Un ensemble de résonateurs non linéaires couplés ouvre la voie à une famille de phénomènes dynamiques non linéaires très riches, basés sur la rupture spontanée de symétrie. Nous avons démontré théoriquement ce phénomène dans deux cavités couplées par onde évanescente. Les premières études expérimentales de ce régime ont été menées, établissant ainsi les bases pour une future démonstration de la rupture spontanée de symétrie dans un réseau de nanocavités non linéaires couplées.