Dans le monde moderne de l'information numérique, les volumes de transfert de données augmentent constamment et créent une demande correspondante pour des vitesses de transfert plus élevées et un traitement des données plus rapide.De nos jours, le transfert d'information sur la puce au moyen de signaux électriques commence à atteindre ses limites en raison des restrictions physiques des effets quantiques, rendant le transfert de données au moyen de signaux optiques attrayant pour le transfert d'information rapide sur les puces informatiques. Il en résulte que la photonique au silicium, qui utilise du silicium (à motifs) en tant que milieu optique (par exemple des cristaux photoniques), a un grand potentiel pour remplacer les parties des interconnexions métalliques actuelles par celles optiques.Il existe déjà une gamme de composants photoniques créés de manière monolithique sur des plaquettes de silicium sur isolant, mais il manque encore des sources compactes de lumière pulsée sur puce. Dans cette thèse, nous travaillons sur la création de telles sources de lumière pulsée, tout en étudiant l'interaction des lasers à cristaux photoniques avec l'absorbant saturable de graphène. Bien que n'atteignant pas réellement le but ambitieux et à long terme associé à la réalisation d'un laser à verrouillage de mode intégré, cette thèse a fait quelques progrès dans cette direction. Nous avons franchi quelques étapes, telles que l'intégration du graphène et des structures actives des cristaux photoniques, l'étude de l'interaction du graphène avec les lasers compacts, le développement d'un modèle théorique permettant d'étudier cette interaction et enfin la conception de multimodes et de cavités compactes à base de cristaux photoniques pour la miniaturisation de lasers à verrouillage de mode. Ces étapes seront importantes pour le développement de dispositifs compacts capables de générer un train d'impulsions optiques sub-picosecondes dans des plates-formes à puce. / In the modern world of digital information, data transfer volumes are constantly increasing and create a corresponding demand for higher transfer speeds and faster data processing.Nowadays, the information transfer on-chip by means of electrical signals begin to reach its limitations due to physical restrictions of quantum effects, making data transfer by the means of optical signals to become an attractive prospect for high-speed information transfer on computer chips. As a result, silicon photonics, which uses (patterned) silicon as an optical medium (e.g. photonic crystals), has a great potential to replace parts of the current metallic interconnects by the optical ones.There is already a range of photonic components created monolithically on silicon-on-insulator wafers, however, compact sources of pulsed light are still missing on-chip. In this thesis, we are working on creation of such sources of pulsed light, while investigating the interaction of photonic crystal compact lasers with graphene saturable absorber. Although not actually achieving the long-term and ambitious goal associated with the realization of an integrated mode-locked laser, this thesis made some progress in that direction. We have achieved a few milestones, such as the integration of graphene and active photonic crystal structures, the study of the interaction of graphene with compact lasers, the development of a theoretical model providing a basis for studying this interaction and finally the design of multimode and compact photonic crystal based cavities for the miniaturization of mode-locked lasers. These steps will be of importance for the development of compact devices capable of generating a train of sub-picosecond optical pulses in chip-based platforms.

Thèse doctorat : Chimie des Matériaux : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

Cette thèse apporte une contribution théorique et expérimentale à l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation de structures à cristaux photoniques à gradient (GPhCs). Nous explorons pour commencer la relation qui existe entre les déformations des surfaces équi-fréquences (EFS) de différents cristaux photoniques et les paramètres de maille des configurations envisagées. Compte tenu de la complexité des structures possibles obtenues à partir d'un chirp spatial bidimensionnel d'au moins un paramètre de maille, nous avons limité notre étude à un type particulier de structure basé sur un réseau carré de silicium sur isolant (SOI) planaire constitué de trous d'air de facteur de remplissage variable. Une expression analytique des EFS connexes en fonction du rayon des motifs a d'abord été extraite, et une structure GPhC de "référence" a ensuite été proposé pour l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation des GPhCs utilisant à la fois une approche consistant à propager un ou plusieurs rayons optiques dont les trajectoires sont données par les équations de l'optique Hamiltonienne et une approche tout numérique basée sur des simulations FDTD. Nous décrivons ensuite les processus de fabrication de salle blanche des structures à cristaux photoniques graduels, obtenues à partir de substrats semiconducteurs par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive. Les échantillons fabriqués sont étudiés expérimentalement par des techniques de mesure en champ lointain et en champ proche (SNOM) en s'appuyant sur une collaboration avec un autre groupe du CNRS. Les résultats expérimentaux montrent une relation dispersive quasi-linéaire de 0.25μm/nm dans la gamme de longueur d'onde allant de 1470nm à 1600nm. Les premiers dispositifs fabriqués présentent aussi la possibilité de séparer des couples de deux longueurs d'onde (démultiplexage) avec des pertes d'insertion faibles (inférieures à 2 dB) et un niveau de diaphonie faible (de l'ordre de -20 dB). Ils présentent également un effet très net de séparation des polarisations de la lumière avec une diaphonie inter-polarisations TE/TM de -27dB dans une bande spectrale de l'ordre de 70 nm. Au-delà de ces mesures optiques obtenus dans une configuration particulière de cristal photonique graduel, les travaux présentés dans cette thèse ont permis l'observation directe de la transition entre les régimes d'homogénéisation et de diffraction de propagation de la lumière dans un matériau optique artificiel tout diélectrique. Globalement, la méthodologie présentée et adoptée pour l'étude de la propagation de la lumière dans les structures étudiées a ouvert des perspectives pour la réalisation de fonctions optiques plus complexes.

Le développement de l’internet des objets et des services de vidéo en temps réel (streaming) a conduit à une augmentation continue du trafic des données au sein des data-centers. Celui-ci devrait être multiplié par trois entre 2012 et 2020 pour atteindre 15.3 zettaoctets/an. Cette évolution appelle parallèlement à un accroissement des performances des composants télécom en transmission optique monomode dont le standard s’établit aujourd’hui à 100-200 Gbits/s pour évoluer vers 400-800 Gbits/s dans un futur proche. Bien que les cœurs de technologies semiconducteurs soient aujourd’hui disponibles pour répondre à cette demande, les coûts élevés d’assemblage des puces électroniques (EIC) et photoniques (PIC) ainsi que l’alignement avec les fibres optiques monomodes limitent la pénétration de cette solution technologique sur le marché. Afin de relever ce défi, une structure originale d’interposeur en verre a été proposée dans le cadre du laboratoire commun IEMN-STMicroelectronics. Ce substrat d’assemblage en verre présente des avantages distinctifs majeurs tels que i) l'alignement passif de la fibre externe, ii) l'alignement optique passif du PIC sur l'interposeur, iii) le transfert des fonctions optiques passives du PIC sur l'interposeur de verre et iv) une approche conservative réutilisant les coupleurs à réseau du PIC.Le contexte du packaging électro-optique étant posé, ce travail de thèse s’est concentré sur la fonctionnalisation de substrats de verre par photo-inscription ou micro-usinage laser en régime femtoseconde afin de structurer les guides d’onde optique, les miroirs de redirection du faisceau guidé et la couche de redistribution électrique en cuivre. En premier lieu, des guides optiques monomodes à 1310 nm de bonne qualité ont été obtenus et caractérisés, permettant une mise en évidence franche des effets d’absorption non linéaire, d’auto-focalisation et de filamentation. Une étude expérimentale complète a permis de déterminer les paramètres d’exposition laser et de gravure chimique pour la fabrication de miroirs photoniques. Enfin, une méthode originale de structuration des interconnexions basée sur le fractionnement et le décollement de la couche de cuivre par effet thermo-mécanique a été développée. / The development of the Internet of Things and video streaming services is leadng to a continuous increase in data traffic within data-centers that is expected to increase threefold between 2012 and 2020 reaching 15.3 zettabytes/year. This evolution calls for an increase in performance of telecom components in optical single mode transmission, the standard of which is now 100-200 Gbits/s and will evolve towards 400-800 Gbits/s in the near future. Although the semiconductor technology cores are now available to meet this demand, the high assembly costs of electronic (EIC) and photonic (PIC) integrated circuits as well as the alignment with single-mode optical fibers limit the market penetration of this technological solution. In order to meet the challenge, an original glass interposer structure has been proposed in the framework of the IEMN-STMicroelectronics common laboratory. This glass assembly substrate holds major distinctive advantages such as i) passive alignment of the external fiber, ii) passive optical alignment of the PIC on the interposer, iii) transfer of the passive optical functions of the PIC onto the glass interposer and iv) a conservative approach reusing the PIC grating couplers.With this context associated to electro-optical packaging in mind, this thesis has focused on the functionalization of glass substrates by photo-inscription or laser micromachining in femtosecond regime in order to structure optical waveguides, redirection mirrors and copper electrical redistribution layer. First, good quality 1310 nm single-mode optical guides were obtained and characterized, allowing a clear demonstration of the effects of non-linear absorption, self-focusing and filamentation. A complete experimental study determined the laser exposure and chemical etching parameters for the manufacture of photonic mirrors. Finally, an original method for structuring interconnections based on the fractionation and detachment of the copper layer by thermo-mechanical effect has been developed.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2001. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin de chaque chapitre.

Thèse doctorat : Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 133-142.

Les fibres à cristaux photoniques sont constituées d’un réseau périodique transverse de diélectriques. En introduisant un défaut dans ce réseau, il est possible de guider la lumière par un effet de bandes interdites photoniques, dont les propriétés diffèrent fondamentalement du guidage par réflexion totale interne qui a lieu dans les fibres conventionnelles. Nous étudions en particulier les fibres à bandes interdites photoniques solides, comportant des inclusions dont l’indice de réfraction est supérieur à celui de la matrice. En insérant des trous d’air dans cette structure solide, on observe une forte diminution des pertes par confinement et par courbure. De plus, la présence de trous d’air entre les inclusions de haut indice rend possible l’accord de phase entre deux modes fondamentaux, pour la génération du 2nd ou 3ème harmonique. Il est également possible dans ces fibres de générer efficacement un supercontinuum et d’en contrôler l’étendue spectrale grâce aux propriétés de dispersion particulières. / This thesis focuses both on theoretical and experimental studies of a recent class of Photonic Crystal Fibers (PCF): the solid-core PCF which guide light thanks to a Photonic BandGap (PBG) effect. The main goal of this work is then to better understand their propagation mechanisms (in order to improve their transmission properties) as well as to explore their potentials for non linear purposes. The study of these fibers (dispersion diagrams interpretation, emphasis of a scaling law and also of a light level of bend losses restrictive for their practical uses) leads us to develop a new kind of PCF for which wave guidance is a combination of PBG effect and more common Total Internal Reflexion (TIR). These fibers, called hybrid PCF, are made here by adding air holes in the all-solid structures previously studied. Particularly, two hybrid structures are proposed and fabricated, exhibiting a huge reduction of confinement and bend losses. Finally, we show that their unique disoersive properties enable to obtain a phase index matching between two fundamental modes (one is guided by PBG and the other by TIR) for second or third harmonic generation, and to effectively generate a supercontinuum for which the spectral broadening can be controlled by the opto-geometrical properties of the structure.

Ce travail de thèse porte sur des composants à cristaux photoniques (CP) bidimensionnels réalisés dans des matériaux à base d'InP pour un fonctionnement dans le domaine 1,55 µm. Au sein du CP, la périodicité de la constante diélectrique génère une bande interdite photonique, domaine de fréquence dans lequel la propagation des modes optiques est interdite. L'introduction de défauts dans le CP permet à certains modes optiques localisés d'exister. De telles structures peuvent alors être utilisées comme brique élémentaire d'un circuit intégré photonique. Nous avons étudié des adaptateurs de mode et des lasers monofréquences ainsi que des guides d'onde sur membrane InP.<br /><br /> Les CP sont ici un réseau de trous fabriqués à l'aide de la gravure ionique réactive associée à un plasma à couplage inductif. Dans un plasma Cl2/Ar optimisé, nous avons obtenu une profondeur de gravure de 2,9 µm pour des trous de 250 nm diamètre. Nous avons montré que la présence de N2 dans un plasma contenant du chlore renforce la gravure anisotrope et supprime la rugosité des surfaces gravées, et que l'addition de BCl3 permet d'augmenter la verticalité des trous. Le plasma BCl3/N2 a permis d'obtenir les meilleurs profils et états de surface et une profondeur gravée de 1 µm.<br /><br /> Plusieurs géométries d'adaptateurs de mode à CP ont été étudiées et leurs spectres de transmission ainsi que la divergence du mode émergent ont été caractérisés et comparés avec les résultats de simulation. La meilleure géométrie conduit à une amélioration de l'efficacité de transmission d'un facteur 4. Les guides W1 sur membrane InP présentent des pertes de propagation de 25 dB/cm pour des fréquences situées sous la ligne de lumière.

La première partie de la thèse est consacrée à l'étude de la diffraction d'ondes électro­ma­gné­ti­ques par des objets bornés recouverts de couches minces de diélectriques non linéaires. Un développement asymptotique de l'onde fondamentale et de la seconde harmonique est donné en utilisant des techniques d'équations intégrales.<br /><br />Dans la deuxième partie de la thèse, on s'intéressé à la méthode dite de la (\em supercell) qui est utilisée par les physiciens afin de donner une approximation des modes introduits par un défaut à support compact dans un cristal photonique. On étudie la convergence de cette méthode donnant un sens à la convergence du spectre de l'opérateur approché. La convergence exponentielle des valeurs propres dues au défaut est démontrée.<br /><br />La troisième partie de la thèse est consacrée à l'étude de la propagation d'ondes électromagnétiques dans les fibres optiques photoniques. On dérive une modélisation mathématique de ces fibres dont l'enveloppe est constituée d'un cristal photonique bidimensionnel invariant selon l'axe de la fibre. Les modes guidés par la fibre sont caractérisés comme étant les valeurs propres d'opérateurs intégraux.

Situées entre l'infrarouge et les micro-ondes, les ondes dites "terahertz" (THz) ont les propriétés de passer aussi bien à travers la peau et les vêtements que les papiers, le bois, le carton ou encore le plastique. Autant d'atouts qui permettent d'envisager de multiples applications dans les secteurs de l'imagerie médicale, de la spectroscopie, de la sécurité et de l'environnement. D'où l'intérêt que suscitent les lasers à cascade quantique terahertz, une récente famille de lasers semi-conducteurs qui émettent à des fréquences de l'ordre du terahertz. Pourtant, s'ils sont aujourd'hui les seules sources compactes fonctionnant dans cette gamme de fréquences, ils présentent deux inconvénients : Premièrement, ils ne fonctionnent qu'à des températures cryogéniques. En vue d'une augmentation future de la température maximale de fonctionnement (Tmax), nous avons développé une étude comparative en fonction de la fré- quence d'émission, ce qui a permis de déterminer les mécanismes principaux limitant la Tmax (courant parasite ainsi que l'émission de phonons optiques lon- gitudinaux activés thermiquement). Deuxièmement, afin d'obtenir les meilleures Tmax, l'utilisation d'un guide métal- métal est nécessaire. Néanmoins, dans un tel guide, l'émission obtenue est fortement divergente, ce qui s'avère rédhibitoire pour une utilisation généralisée. Pour résoudre ce point, nous avons intégrés des cristaux photoniques bidimensionnels définis uniquement par la géométrie du métal supérieur, ce qui a permis l'obtention d'une émission directive par la surface, spectralement mono-mode, tout en maintenant des températures de fonctionnement assez élevées.