* La première partie traite du projet MAFL (MultiAperture Fiber Linked interferometer). Ce travail, effectué en collaboration avec le GeeO, l'IMEP et Alcatel Alenia Space dans le cadre d'un contrat ESA, avait pour objectif la réalisation d?un interféromètre 3 bras intégralement en optique guidée et intégrée avec un asservissement pour le contrôle des chemins optiques. La partie recombinaison des champs était effectuée par un composant d?optique intégrée novateur qui réalisait toutes les opérations de mélange interférométrique, que ce soit pour les signaux science comme pour les signaux métrologie. Les résultats obtenus nous ont permis de conclure que la technologie de l?optique intégrée est un excellent candidat pour la spatialisation des interféromètres du futur. La seconde partie a porté sur un dispositif d'imagerie directe basé sur le principe des Hypertélescope proposé par A. LABEYRIE du Collège de France en 1996. Une version originale de ce concept fonctionnant dans le domaine temporel a été développée au laboratoire. Une collaboration avec le département Math-Info du laboratoire XLIM dans le cadre du thème transverse IRO nous a permis d'entamer une optimisation de la réponse impulsionnelle d'un hypertélescope. Les résultats nous ont aidés à monter un banc de test afin de valider le principe théorique ainsi que les résultats d'optimisation

Le but de la Nano- Opto- Mécanique et Electronic à base de graphène est d'utiliser des membranes de graphène en suspension comme blocs de construction pour aborder le couplage entre l'optique, la mécanique et l'électronique dans ce nouveau matériau. Avec un module d'Young similaire à celui du diamant (1 TPA), le graphène est une membrane extrêmement rigide, légère et mince (epaaisseur de seulement un atome) qui peut supporter son propre poids sans effondrement ou la rupture lorsqu'il est suspendu. Ces membranes, intégrées dans des dispositifs mécaniques, peuvent être actionnés à partir de DC jusqu'à des fréquences de vibration mécaniques très élevées (GHz). En outre, le graphène est un gaz d'électrons 2D exposé pour lequel une porte électrostatique tunes considérablement la densité de porteurs de charge et ses propriétés optiques. Last but not least, il offre une architecture unique pour effectuer la fonctionnalisation physico-chimiques et obtenir des matériaux hybrides combinant les propriétés particulières des espèces chimisorbées avec ceux du graphène. / The aim of the Graphene Nano- Opto- Mechanics and Electronics is to use suspended graphene membranes as building blocks to address the coupling of optics, mechanics and electronics in this novel material. With a Young modulus similar to that of diamond (1 TPa), graphene is an extremely stiff, light and atomically thin membrane that can withstand its own weight without collapsing or breaking when suspended. Such membranes, integrated as mechanical devices, can be actuated from DC up to very high mechanical vibration frequencies (GHz). Moreover, graphene is an exposed 2D electron gas for which an electrostatic gate dramatically tunes the charge carrier density and its optical properties. Last but not least, it provides a unique architecture to perform physico-chemical functionalization and obtain hybrid materials combining the peculiar properties of adsorbed and chemisorbed species with the graphene ones.

Malgré le caractère indirect de sa bande interdite, le germanium est un bon candidat comme source de lumière pour la photonique silicium puisque l'application de déformations en tension réduit l'écart entre l'énergie de son gap direct et celle de son gap indirect. Cependant, l'application de très fortes déformations soulève un certain nombre de questions, tant d'un point de vue technologique que de la connaissance des propriétés de ce matériau. Après avoir posé les bases théoriques du problème, deux approches pour déformer le germanium sont employées : la première utilisant des nanofils crus selon le mécanisme Vapeur-Liquide-Solide, la seconde utilisant une micro-structuration de substrats de germanium sur isolant.Pour la première, une étude du dopage n des nanofils crus par CVD en utilisant des mesures électriques 4 pointes et la spectroscopie EDX révèle que ceux-ci atteignent une concentration atomique en phosphore de 7 1019 cm-3, ceux-ci étant complètement activés. Un procédé de micro-fabrication est ensuite utilisé pour mettre en tension des nanofils uniques, ce qui permet d'atteindre 1.5 % d'élongation uniaxiale mesurée par micro-diffraction de rayons X. La déformation est corrélé à une mesure du gap direct par spectroscopie de photocourant, en bon accord avec les prédictions théoriques de la littérature.Le dernier chapitre présente le procédé de fabrication de structures obtenues par amplification de la contrainte résiduelle des couches de germanium sur isolant. La diffraction de rayon X, couplée à la spectroscopie Raman, révèle qu'elles atteignent 4.9 % d'extension uniaxiale et 1.9 % d'extension biaxiale. La relation entre le décalage Raman et la déformation diffère significativement des modèles publiés dans la littérature au delà de quelques pourcents de déformation. Enfin, la mesure des transitions directes avec les bandes de trous lourds et légers par spectroscopie d'électro-absorption montre que leur dépendance en déformation s'avère ne plus être en complet accord avec la théorie des potentiels de déformation au-delà de 2 % mais en accord avec des prédictions effectués par modèle des liaisons fortes. / Despite the indirect nature of its bandgap, germanium is a promising candidate as a potential light source for silicon photonic, since the application of tensile strain reduces the energy difference between its direct and indirect bandgaps. However, the application of very large strains raises a number of issues, from a technological point of vue as well as for the determination of the material properties. After laying the theoretical fondations of this problem, two straining approaches are employed : the first one using nanowires grown by the Vapor-Liquid-Solid mechanism, the second using micro-structuration of germanium-on-insulator substrates.For the first one, a study of the n-type doping of CVD-grown nanowires using 4-probes electrical measurements and EDX spectroscopy reveals that they reach a phosphorus atomic concentration of 7 1019 cm-3, these dopants being fully activated. A micro-fabrication process is then used to apply tensile strain to single nanowires, reaching 1.5 % uniaxial stretch measured by X-ray micro-diffraction. The strain measurement is correlated with a direct bandgap measurement by photocurrent spectroscopy, leading to a good agreement with theoretical predictions from the literature.The last chapter describes the fabrication process of structures obtained by amplification of the residual stress of germanium layers on insulator. X-ray diffraction, coupled to Raman spectroscopy, reveals that the structures reach 4.9 % uniaxial stretch and 1.9 % biaxial stretch. The relation between Raman-shift and strain differs significantly from models published in the literature above a few percents of strain. Finally, the measurement of the direct transition with the light- and heavy-holes bands by electro-absorption spectroscopy shows that their strain dependence is not in complete agreement with the deformation potential theory above 2 % but in agreement with predictions from tight-binding simulations.

L’objectif de cette thèse était de développer et d’appliquer une nouvelle méthode de mesure permettant de dresser des cartographies instantanées des températures et des concentrations des diverses espèces présentes dans les gaz de combustion et aider à la détermination des performances de moteurs et mieux comprendre les mécanismes de réaction.Pour cela, un moyen de mesure optique, non intrusif pour ne pas interagir sur le fonctionnement du moteur, a été mis au point, ce qui a permis ainsi une meilleure analyse des performances et donc une mise au point plus rapide des moteurs. De par ses caractéristiques, le système peut réaliser des mesures résolues temporellement et spatialement. Outre les investigations dans les écoulements réactifs des propulseurs à réaction, ce système de mesure peut être également utilisé ultérieurement pour la mise au point des moteurs cycliques à détonation, à allumage commandé (essence) ou par compression (diesel, HCCI). Les temps de réponse (inférieures à 10 μs) du moyen de mesure sont compatibles avec les phénomènes étudiés. Cette technique de mesure peut également être embarquable sur un aéronef pour effectuer des mesures en vol.Le but était donc de mettre au point un système optique permettant la mesure de ces différents paramètres à distance. La spectroscopie est un outil adapté à cette étude. C’est une méthode physique non intrusive qui, associée à un LIDAR (télédétection laser), permet la mesure précise et instantanée de la température et de la concentration des gaz de combustion et de connaître leur évolution temporelle. Il peut être envisagé par la suite de mesurer directement l’avancement de la combustion afin d’améliorer le rendement et par voie de conséquence diminuer les rejets de polluants. / The aim of the present PhD thesis was to develop and apply a new measurement technique allowing one to create maps of the temperature and t-he concentration of various species within combustion gas, to determine the performances of the engines and get a better understanding of the reaction mechanisms.In order to do so, a non-invasive optical measurement technique was setup. This has enabled us to have better an analysis of the performances and hence, a faster adjustment of the engines. Thanks to its characteristics, the system is able to do some spatial and temporal resolved measurements. Apart from reacting flows in propellers, this measurement technique can also be used for the design of detonation and spark ignition engines or compression engines. The response times (lower than 10 μs) are compatible with the phenomena under investigation. This technique can also be used in airplanes to enable on-flight measurements.The aim was hence to setup an optical system allowing the measurement of these different parameters from a distance. Spectroscopy is a well-suited tool for this work. It is a non-intrusive physical measurement which, combined with LIDAR, allows the precise and instantaneous measurement of the temperature and the concentration of combustion gas as well as the following of their temporal evolution. It would be worth considering measuring the progress of the combustion directly so as to improve the performance and hence reduce the formation of pollutants.

La thèse présente l’étude de la propagation et de l’auto-focalisation de faisceaux d’Airy dans un milieu photoréfractif. Le faisceau d’Airy est un faisceau dit accélérant qui, dans l’espace libre, présente une trajectoire curviligne, ne se déforme pas et est capable de se régénérer après un obstacle. L’auto-focalisation de faisceaux conventionnels, tels les faisceaux gaussiens, a été étudiée dans des milieux nonlinéaires en particulier pour des applications de routage tout-optique. En propageant des faisceaux optiques à travers de tels milieux photosensibles, il est possible de graver optiquement des guides d’onde retraçant la trajectoire de ces faisceaux. C’est dans ce contexte que le faisceau d’Airy suscite beaucoup d’intérêt, grâce à sa forme et sa trajectoire uniques. Dans ce mémoire nous étudions expérimentalement comme théoriquement les mécanismes d’auto-focalisation du faisceau d’Airy. Durant le régime transitoire de l’effet d’auto-focalisation, nous montrons des dynamiques spatiotemporelles singulières qui suggèrent une analogie avec les interactions gravitationnelles entre un objet massique et une onde se propageant dans l’espace-temps courbe. Dans un second temps, nous ajoutons un faisceau d’Airy se propageant dans la direction opposée au premier afin d’analyser leurs interactions. Ensuite, nous testons ces structures guidantes photoinduites par un ou deux faisceaux d’Airy, qui révèlent des possibilités de guidage uniques, non accessibles avec deux faisceaux conventionnels. Ces faisceaux optiques peuvent permettre de réaliser des fonctions de couplage, routage et multiplexage optique. Par ailleurs, nous étudions les limites de la force de guidage en augmentant la nonlinéarité d’autofocalisation du système. Les dynamiques spatiotemporelles qui en dérivent présentent des comportements et une évolution particuliers suggérant des applications dans le routage tout-optique stationnaire tout comme dynamique. Pour conclure, cette thèse nous permet de démontrer les alternatives prometteuses que nous offre le faisceau d’Airy dans la physique générale et plus particulièrement dans la photonique pour le routage tout-optique / In this thesis we study the propagation and the self-focusing of Airy beams in a photorefractive crystal. The Airy beam is a so-called accelerating beam which propagates in free space along a curved trajectory and with a shape-preserving and self-healing nature. The self-focusing of conventional beams, such as Gaussian beams, has been studied in nonlinear media in particular for all-optical routing solutions. By propagating optical beams in such photosensitive media, one can induce waveguides with the shape of the optical beams’ trajectories. The unique shape and trajectory of the Airy beam however suggest innovative waveguide possibilities. In this manuscript we theoretically and experimentally study the self-focusing mechanisms of the Airy beam. In particular during the transient self-focusing effect, we enlighten peculiar spatiotemporal dynamics suggesting an analogy with the gravitational interactions between a mass and a wave propagating in a curved spacetime. In a second step we add an Airy beam propagating in the opposite direction to analyze their cross-coupling interactions. The guiding structures induced by one or two counterpropagating Airy beams are then tested and show peculiar guiding possibilities that are not achievable using two conventional beams: optical beams can be guided along curved trajectories and eventually split into multiple beams. Furthermore the limits of the waveguiding strength are studied by increasing the self-focusing nonlinearity of the system. The resulting spatiotemporal dynamics present a peculiar behavior and evolution with possible applications in static and dynamical all-optical routing as well as optical computing such as random number generation. Finally with this thesis we demonstrate that the Airy beam offers promising alternatives in general physics and more specifically in photonics for all-optical routing

Le silicium est reconnu comme étant un mauvais émetteur de lumière à cause de son gap indirect. Diverses stratégies ont été développées pour améliorer son rendement d'émission, le Si constituant le matériau de choix pour la photonique. Ce manuscrit présente l'élaboration et la caractérisation de matériaux originaux à base de silicium afin de proposer des solutions alternatives pour améliorer les propriétés d'émission de lumière du Si. Ce travail est divisé en 4 parties avec tout d'abord une revue de l'état de l'art de l'émission de lumière dans le Si et les bases sur les mécanismes de recombinaison dans le Si. Une seconde partie se concentre sur l'élaboration et l'étude de dispositifs électroluminescents à base de Si comportant un réseau de dislocations enterrées un niveau d'une jonction PN obtenu par collage moléculaire. L'émission de lumière située vers 1,1 et 1,5 µm (1,1 et 0,8 eV) est attribuée à la recombinaison des porteurs sur les états piège induits par des précipités de bore et d'oxyde dans le voisinage de dislocations (E^phonon_Bore vers 1.1eV et Dp~0.8eV) et des états de défauts localisés à l'intersection du réseau carré de dislocations vis (D1~0.8eV). Une troisième partie traite de l'élaboration et des propriétés optique d'ions Er3 + couplés avec des nanostructures de Si dans des films minces de SRO (Silicon-Rich Oxide) obtenus par co-évaporation de SiO et d'Er. Dans cette matrice, l'efficacité d'excitation indirecte de l'Er à 1,5 µm via les nanostructures est démontrée par la mesure de sections efficaces effectives d'excitation de l'Er entre 2x10-16 cm2 et 5x10-15 cm2 en fonction du flux d'excitation et des paramètres d'élaboration. Le principal résultat est la forte diminution avec la température de recuit de la fraction d'ions Er3+ émetteurs susceptible d'être inversée. Des expériences EXAFS révèlent que ce comportement est en corrélation avec l'évolution de l'ordre chimique local autour des atomes d'Er. Dans une dernière partie est présentée l'élaboration de nanostructures de Si de type nanofils cœur-coquille Si/SiO2. Ces structures cœur-coquille sont obtenues par trois méthodes différentes. Les structures obtenues par dépôt d'oxyde sur la surface de nanofils de silicium CVD catalysées avec de l'Au présentent une émission autour de 500 nm efficace à température ambiante due à la recombinaison des porteurs photo-générés au niveau des états de défauts dans la couche d'oxyde et à l'interface Si/SiO2. L'intensité de PL collectée est de plus d'un ordre de grandeur supérieure à celle mesurée sur des films minces de SiO2 similaires déposés sur des substrats de Si. En outre, la passivation des nanofils de Si CVD par un procédé d'oxydation thermique permet de neutraliser les états de surface qui dominent dans de telles structures. La mesure des vitesses de recombinaison de surface semble indiquer que ces nanofils ainsi passivés présentent des propriétés électroniques de volume similaires à celles du Si standard de microélectronique. Enfin, une nouvelle méthode pour l'élaboration in situ de nanofils cœur-coquille Si/SiO2 basée sur l'évaporation d'une source solide SiO avec l'Au et le Cu comme catalyseurs est détaillée. La croissance des fils catalysés par l'Au se produit dans le mode de croissance VLS (Vapor-Liquid-Solid comme en CVD) donnnat des nanofils présentant un cœur de Si cristallin et une coquille amorphe d'oxyde. En revanche, la croissance des nanofils catalysée par le Cu semble se produire préférentiellement à plus basse température en mode VSS (Vapeur-Solide-Solide) expliquant pourquoi ces NFs présentent une forte densité de défauts cristallins dans la cœur de Si contrairement aux fils catalysés Au. / Silicon is known as a poor light emitter due to its indirect band gap. Various strategies have been developed to overcome its poor emission efficiency since it is the material of choice for photonics. In this manuscript are detailed the elaboration and characterization of original silicon-based materials in order to propose alternatives solutions to improve Si light emission properties. This work is divided in 4 parts with a first one describing the state of the art of light emission in Si and the basics of recombination mechanisms in Si. A second part focuses on the elaboration and study of electroluminescent devices based on bulk Si with a buried dislocation network at a PN junction obtained by wafer bonding. The light emission near 1.1 and 1.5 µm (1.1 and 0.8 eV) is attributed to the recombination of carriers on trap states induced by boron and oxide precipitates in the vicinity of dislocations (E^phonon_Bore near 1.1eV and Dp~0.8eV) and defects traps at the intersection of the square network of screw dislocations (D1~0.8eV). In a third part is showed the elaboration and the optical properties of Er3+ ions coupled with Si nanostructures in Si-Rich Silicon Oxide (SRO) thin films obtained by co-evaporation of SiO and Er. We demonstrate the efficient indirect excitation of Er at 1.5 µm with high effective cross sections between 2x10-16 cm2 and 5x10-15 cm2 as a function of the excitation flux and the elaboration parameters. The main result is the drastic decrease of the number of Er3+ emitting ions coupled to Si with the annealing temperature. EXAFS experiments revealed that this behavior is correlated with the evolution of the local chemical order around Er atoms. In a last part is presented the elaboration of Si nanostructures based on core-shell Si/SiO2 nanowires. These core-shell structures are obtained by three different methods. Core-shell nanowires obtained by oxide deposition on the surface of CVD Au-catalyzed Si nanowires exhibit an efficient room temperature emission around 500 nm due to the recombination of photo generated carriers in defects states in the oxide layer and at the Si/SiO2 interface. The collected PL intensity is more than one order of magnitude higher than similar SiO2 thin films deposited on Si substrates. Moreover, the passivation of CVD-growth Si nanowires by a thermal oxidation procedure allows neutralizing the surface states which are predominant in such structures. As a result, the measurement of surface recombination velocities seems to indicate that such passivated nanowires present similar volume electronic properties than standard microelectronic bulk Si. Finally, a new method for the elaboration of in situ core-shell Si/SiO2 nanowires based on the evaporation of a solid SiO source with Au and Cu as catalysts is presented. The Au-catalyzed growth occurs in the VLS mode (Vapor-Liquid-Solid like in CVD-growth) leading to the growth of nanowires with a crystalline Si core surrounded by an amorphous oxide shell. But Cu-catalyzed nanowires growth seems to appear preferentially at lower temperatures in the VSS (Vapour-Solid-Solid) mode explaining why these nanowiress exhibit a high density of crystalline defects in the Si core compared to Au-catalyzed wires.

Grâce aux récents progrès dans le domaine de la nanofabrication, la réalisation de structures photoniques a été rendue possible, permettant le contrôle de rayonnements lumineux utiles en tant que vecteurs d'informations ou pour la collecte de l'énergie. Ce manuscrit de thèse rassemble les études menées en collaboration avec Thalès Optronique sur deux démonstrateurs du projet ANR NPOEM, dont l'objectif est de réaliser des structures photoniques sur substrats souples par nanoimpression. Le premier démonstrateur consiste en un antireflet utilisant le domaine de résonance de réseaux de diffraction bipériodiques composés de motifs pyramidaux. Des réseaux de structures coniques à méplat lisse, structuré ou rugueux ont été modélisés par FDTD et RCWA, réalisées en collaboration avec le LTM et le CEA Liten, puis caractérisés à l'IM2NP. Les performances antireflets obtenues sont remarquables (réflectivité inférieure à 2% en incidence normale) et s'étendent sur une très large gamme spectrale du visible à l'infrarouge. Le second démonstrateur présente une fonction de filtrage de type passe-bas dans le visible et l'infrarouge. Une étude de plusieurs structures résonnantes de type métamatériaux (croix métalliques, empilement métal-diélectrique-métal, cônes métalliques et plaque métallique perforée) a montré les phénomènes de propagation singuliers liées aux petites dimensions (modes de bord, ondes de surface et couplages de proximité) et a conduit à la réalisation finale d'un filtre flexible et de large surface présentant les propriétés souhaitées. Les composants photoniques réalisés dans cette thèse trouvent leurs applications dans les domaines de la furtivité et du solaire thermique. / Thanks to recent advances in nanofabrication, the realization of photonic structures was possible, allowing the control of light as an information vector or for energy harvesting. This PhD thesis adresses the studies carried out in collaboration with Thales Optronics on two demonstrators for the ANR NPOEM research project, whose objective is to fabricate photonic structures on flexible substrates by nanoimprint technology. The first demonstrator consists of an antireflective coating using resonance phenomena within biperiodic diffraction gratings. Conical structures with flat, rough or patterned tops were modeled by FDTD and RCWA, carried out in collaboration with the CEA Liten LTM and then characterized at the IM2NP institute. The antireflective performances obtained are remarkable (reflection coefficient lower than 2 % at normal incidence) and extend over a wide spectral range from the visible to the infrared region. The second demonstrator presents a low-pass type filtering function at optical and infrared frequencies. A study of several resonant structures such as metamaterials (metallic crosses, metal-dielectric-metal stack, metallic cones and perforated plates) showed singular propagation phenomena related to small dimensions (modes, surface waves and proximity coupling) and led to the completion of a large surface, flexible filter demonstrating the desired properties. The photonic components made during this thesis have applications in the stealth and thermal solar domains.

Nous assistons aujourd'hui à une explosion des demandes de calcul, de stockage et de transfert de données. Dans ce contexte, le développement des ordinateurs à haute performance est crucial mais il est limité par le débit et la consommation des interconnexions électriques entre puces ou intra-puces. La photonique sur silicium propose de lever ce verrou technologique en utilisant la maturité des procédés de fabrication de microélectronique pour concevoir des interconnexions optiques à très haut débit et à faible énergie par bit. Dans ces travaux, nous nous proposons de dimensionner un lien optique intégré sur silicium pour par exemple adresser le défi technologique des interconnexions intra-puces entre un processeur et une mémoire DRAM de dernière génération. Le lien optique conçu est multiplexé en longueur d’onde et utilise des composants intégrés à faible empreinte appelés anneaux résonants pour les fonctions de modulation et de démultiplexage. Les sources laser dont seront munis ces interconnexions consomment une puissance importante : nous nous attachons à optimiser la performance des composants utilisés en termes de puissance optique. A partir d’une analyse système, nous proposons une architecture de lien et construisons un modèle pour évaluer les pénalités en puissance optique associées au transmetteur et au récepteur du lien de communication à l’aide de simulations statiques et dynamiques. Ce modèle comprend des contributions des modulateurs et des filtres du démultiplexeur considérés individuellement ainsi que des contributions liées au multiplexage en longueur d’onde à l’émission et à la réception. Des modulateurs optiques en anneau sont fabriqués en technologie PIC25G, caractérisés en statique et en dynamique puis comparés au modèle. Enfin, des démonstrateurs multiplexés en longueur d’onde sont conçus et mis en œuvre permettant de valider nos modèles prédictifs et d'en soulever de futurs perfectionnements. / The 21st century is characterized by the explosion of demand for computing power as well as data storage and transfer. In this context, the development of high-performance computers is crucial but it is limited by the bandwidth and the energy efficiency of chip-to-chip and intra-chip electrical interconnects. Silicon photonics is a promising solution that uses microelectronics manufacturing techniques to fabricate optical components dedicated to efficient and high-bit-rate optical communication links.This work aims at designing a silicon photonic intra-chip high-bandwidth interconnect based on the example of latest-generation DRAM specifications. Wavelength division multiplexing (WDM) is used with low-footprint components called optical ring resonators for modulation and filtering.Lasers sources are a non-negligible contributor to overall system power consumption. For this reason, this thesis focuses on the optimization of ring resonators in terms of optical power. We first carry out a system analysis and propose an architecture that consists of parallel WDM links. Then a system model that evaluates optical power penalties related to the transmitter and the receiver is built up using static and dynamic simulations. Individual contributions of modulators, filters as well as the impact of adjacent channels at the transmitter and receiver sides are taken into account. Optical ring modulators are fabricated in PIC25G technology and characterized through static and dynamic measurements in order to validate our model. Finally, wavelength division multiplexed prototypes are designed and demonstrations corresponding to different WDM configurations are carried out which allows for suggestions of future improvements from the comparison with our predictive model.

Les progrès dans la fabrication des systèmes de calcul reconfigurables de type « Field Programmable Gate Arrays » (FPGA) s’appuient sur la technologie CMOS, ce qui engendre une consommation des puces élevée. Des nouveaux paradigmes de calcul sont désormais nécessaires pour remplacer les architectures de calcul traditionnel ayant une faible performance et une haute consommation énergétique. En particulier, optique intégré pourrait offrir des solutions intéressantes. Beaucoup de travail sont déjà adressées à l’utilisation d’interconnexion optique pour relaxer les contraintes intrinsèques d’interconnexion électronique. Dans ce contexte, nous proposons une nouvelle architecture de calcul reconfigurable optique, la « optical lookup table » (OLUT), qui est une implémentation optique de la lookup table (LUT). Elle améliore significativement la latence et la consommation énergétique par rapport aux architectures de calcul d’optique actuelles tel que RDL (« reconfigurable directed logic »), en utilisant le spectre de la lumière au travers de la technologie WDM. Nous proposons une méthodologie de conception multi-niveaux permettant l'explorer l’espace de conception et ainsi de réduire la consommation énergétique tout en garantissant une fiabilité élevée des calculs (BER~10-18). Les résultats indiquent que l’OLUT permet une consommation inférieure à 100fJ/opération logique, ce qui répondait en partie aux besoins d’un FPGA tout-optique à l’avenir. / Advances in the design of high performance silicon chips for reconfigurable computing, i.e. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), rely on CMOS technology and are essentially limited by energy dissipation. New design paradigms are mandatory to replace traditional, slow and power consuming, electronic computing architectures. Integrated optics, in particular, could offer attractive solutions. Many related works already addressed the use of optical on-chip interconnects to help overcome the technology limitations of electrical interconnects. Integrated silicon photonics also has the potential for realizing high performance computing architectures. In this context, we present an energy-efficient on-chip reconfigurable photonic logic architecture, the so-called OLUT, which is an optical core implementation of a lookup table. It offers significant improvement in latency and power consumption with respect to optical directed logic architectures, through allowing the use of wavelength division multiplexing (WDM) for computation parallelism. We proposed a multi-level modeling approach based on the design space exploration that elucidates the optical device characteristics needed to produce a computing architecture with high computation reliability (BER~10-18) and low energy dissipation. Analytical results demonstrate the potential of the resulting OLUT implementation to reach <100 fJ/bit per logic operation, which may meet future demands for on-chip optical FPGAs.

Afin de poursuivre la croissance imposée par la loi de Moore, les circuits numériques deviennent de plus en plus parallèles, avec un nombre important d’unités de calcul distinctes. L’utilisation de l’optique peut s’avérer intéressante pour leur assurer une bande passante élevée. Au contraire, les liens traditionnels (électriques) commencent à montrer leurs limites en terme de consommation par unité d’information échangée. Dans un tel contexte, il est alors nécessaire de développer des interconnexions optiques dont les procédés de fabrication restent compatibles avec le standard CMOS. Si le transport de la lumière est aisé à obtenir au voisinage de 1.55 μm avec le couple Silicium/Silice, l’obtention de sources LASER est nettement plus difficile puisque le silicium (gap indirect) ne permet pas de réaliser le gain optique requis. Une solution consiste alors à reporter par collage moléculaire des vignettes de composés à base de semi-conducteurs III-V.Dans cette thèse, nous nous intéresserons uniquement à une source bien particulière, basée sur les modes de galerie (WGM) dans les résonateurs à symétrie circulaire, de quelques micromètres de rayon. Nous verrons comment tirer profit des éléments a priori perturbateurs que sont les contacts électriques (absorbants) de sorte à diminuer le seuil LASER. La mise en place d’un modèle semianalytique permet d’obtenir un dimensionnement ultra-rapide de la source monolithique obtenue, en optimisant la géométrie et la position des électrodes de contact. La collection de la lumière dans un guide par couplage évanescent donne lieu à de complexes interactions. Là encore, une modélisation à partir de la théorie des modes couplés a permis d’en comprendre les rouages, et d’en tirer profit. Le guide lui-même peut alors servir à favoriser une seule et unique longueur d’onde d’émission. Avec des éléments actifs situés à proximité de ces guides, on peut même obtenir une source ultra-compacte et modulable dont on contrôle la longueur d’onde d’émission par un élément extérieur au LASER. La dernière partie de cette thèse fournit des résultats expérimentaux, obtenus avec une chaine "pilote" sur des wafers 200 mm (CEA LETI) en se limitant à des procédés CMOS. On démontre donc la faisabilité des sources proposées dans les chapitres précédents ainsi que la possibilité de les intégrer un lien optique complet (source, routage et détection). / To follow the evolution imposed by Moore’s law, digital circuits are becoming more and more parallelized with a large number of independent computational units. Optics may be used to provide them the necessary very high bandwidth, as traditional electrical links begin to suffer from their high consumption per transferred bit. In such cases, developing CMOS compatible optical interconnects can be necessary. If light transport around wavelength 1.55 μm is quite easily obtained thanks to the Silicon/Silica couple, obtaining laser sources is much more difficult because silicon (indirect gap) can not be used to provide optical gain. An alternate solution consists in using molecular bonding of III-V semiconductor based dies onto silicon wafers. In this thesis, we only focus on a very specific source based on Whispering Galery Modes (WGM) inresonators with circular symmetry, with a few micrometers radius. We will see how to take advantage of perturbative elements such as the electrical contacts (necessary absorbing) to decrease the lasing threshold. The use of a semi analytical model provides ultra fast design of these monolithic source, optimizing the the geometry and position of the contacting electrodes. Light collection in an optical waveguide by evanescent coupling to the source leads to complexinteractions. Modelling them from Coupled Mode Theory demonstrates how it works, and how to take advantage of them to control the lasing wavelength. The optical waveguide itself can then be used to promote a single wavelength emission. Laying out active elements around the collecting waveguide, one can get modulated and ultra-compact sources for wavelength tuning or mode hoping applications, with an external active control. The last part of this thesis provides experimental results obtained with a 200 mm pilot line at CEALETI, using CMOS compatible processes. Feasibility of the sources suggested in the previous chapters is demonstrated with their integration in a complete optical link (source, routing and detection).