Cette thèse est une contribution au domaine de recherche de la plasmonique nonlinéaire, domaine émergent de l'optique. L'objectif principal est de démontrer expérimentalement l'autofocalisation d'une onde plasmonique.L'étude débute avec la fabrication et la caractérisation de guides plans en verre de chalcogénure de composition Ge-Sb-Se. Une technique basée sur la formation de solitons spatiaux est développée afin d’estimer leurs non-linéarités Kerr. Les propriétés optiques linéaires et non linéaires de ces guides sont étudiées aux longueurs d’onde de 1200 nm et 1550 nm.Des structures plasmoniques sont ensuite conçues pour propager des ondes hybrides plasmon-solitons avec des pertes de propagation modérées. Elles sont constituées des guides précédents recouverts de nanocouches de silice et d'or.Les caractérisations optiques par couplage plasmon-soliton révèlent une forte autofocalisation subie par l’onde qui se propage à l'intérieur de la structure plasmonique. Comme prévu par la théorie, le comportement est présent uniquement pour une lumière polarisée TM. Des résultats expérimentaux détaillés de cette autofocalisation exaltée par effet plasmonique sont présentés pour différentes configurations. Des simulations confirment les résultats expérimentaux obtenus.Cette démonstration fondamentale vient confirmer le concept d’autofocalisation assistée par plasmon tout en révélant un effet nonlinéaire très efficace. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs photoniques non linéaires intégrés ainsi que de nouveaux phénomènes physiques. / This dissertation contributes to the research area of nonlinear plasmonics an emerging field of optics. The main goal is to demonstrate experimentally the spatial self-trapping of a plasmonic wave.The study begins with the fabrication and the characterization of slab Ge-Sb-Se chalcogenide waveguides. A technique based on the formation of spatial solitons is developed to estimate their Kerr nonlinearities. Linear and nonlinear optical properties of the waveguides are studied at the wavelengths of 1200 nm and 1550 nm.Plasmonic structures are then designed to propagate hybrid plasmon-soliton waves with moderate propagation losses. They are constituted of the previous waveguides covered with nanolayers of silica and gold.Optical characterizations reveal a giant self-focusing undergone by the wave that propagates inside the plasmonic structure. The behavior is present only for TM polarized light as expected from theory. Detailed experimental results of this plasmon enhanced nonlinear self-trapping corresponding to different configurations are presented. Simulations confirm the obtained experimental results.This fundamental demonstration confirms the concept of plasmon-assisted self-focusing while revealing a very efficient nonlinear effect. This opens new perspectives for the development of integrated nonlinear photonic devices as well as new physical phenomena.

Nous voulons déterminer les solitons spatiaux dans les bres optiques présentant un effet non-linéaire de type Kerr optique. Pour cela, nous proposons une nouvelle approche numérique basée sur la Méthode des Éléments Finis qui est particulièrement bien adaptée à l'étude de milieux inhomogènes. Un modèle scalaire du champ électrique dans les bres optiques est utilisé pour mettre en ÷uvre et valider notre méthode et comprendre la signication physique des nouvelles solutions dans un cas simple. Le champ est supposé harmonique en temps et suivant la direction d'invariance de la bre mais inhomogène selon sa section transverse. Plusieurs exemples dans les bres à saut d'indice et dans les bres optiques microstructurées (FOMs) à c÷ur plein de dimension transverse nie sont décrits. Pour chaque géométrie, une étude complète est réalisée pour obtenir et prouver numériquement l'existence d'une unique solution non-linéaire auto-cohérente ou soliton spatial de plus haute énergie atteignable avant l'autofocalisation instable. Le soliton spatial dépend du prol transverse ni de la structure, correspond au soliton de Townes dans le cas du milieu homogène mais est différent de celui-ci dans les bres optiques étudiées. Notre nouvelle approche de l'étude numérique de l'effet Kerr dans les bres optiques permet ainsi de généraliser le soliton de Townes. Cependant, le prol de l'indice de réfraction induit par l'effet Kerr optique montre que l'approximation du guidage faible n'est plus respectée et donc que les caractéristiques de la solution non-linéaire sont mal évalu ées dans le modèle scalaire. L'implémentation du cas vectoriel sans approximation est donc réalisée. La même étude que dans le cas scalaire est alors menée en consid érant toutes les composantes du champ électrique. Enn, pour étendre le champ d'application de notre méthode numérique, les solutions non-linéaires sont étudiées dans des FOMs avec un défaut creux au centre. Par analogie avec la physique du solide, les congurations donneur/accepteur sont dénies et les solutions non-linéaires sont analysées selon la taille du défaut. L'étude des effets Kerr positif et négatif à travers ces congurations nous permet de découvrir de nouveaux comportements non-linéaires dans ces structures.

Les cristaux liquides ont été tout le long un terrain fertile pour la recherche scientifique, des mathématiques à la science des matériaux, à l'optique. Leur utilisation ne se limite pas seulement à l'optique d'afficheurs mais s'étend à l'optique non linéaire, par exemple, à la commutation et au routage de faisceaux optiques. En raison de leur extrême sensibilité aux champs électriques, et ce sur une plage de fréquences allant du continu aux fréquences optiques, ils sont aussi utilises comme milieu non linéaires aptes à générer des faisceaux optiques auto-confinés, appelés solitons spatiaux optiques, à de très faibles puissances. Ces faisceaux ont la propriété de se propager sans diffraction, du fait que cette dernière est compensée par l'auto-focalisation non linéaire du milieu, avec formation de guides d'onde auto-induites. Dans les cristaux liquides nématiques, ces guides d'ondes peuvent à leur tours confiner et guider d'autres signaux optiques et peuvent être reconfigurés, soit optiquement, soit électriquement, du fait que la trajectoire des solitons peut être contrôlée par d'autres champs, ouvrant ainsi la voie à la manipulation tout-optique. Récemment, les cristaux liquides nématiques ont été également utilisés avec succès dans l'optique dite singulière, dans laquelle le paramètre clef est la singularité topologique portée par la phase de l'onde électromagnétique. Dans cette thèse, je rendrai compte de mon travail sur les solitons optiques spatiaux et les singularités optiques dans les cristaux liquides nématiques.

Cette thèse porte sur l'autofocalisation de faisceaux et la propagation solitonique optique. Les résultats présentés s'appuient sur l'utilisation de deux milieux aux propriétés non linéaires complémentaires, un milieu Kerr en configuration planaire offrant une réponse ultrarapide et un milieu photoréfractif siège d'une autofocalisation stable bidimensionnelle opérationnelle à très basse puissance. Les analyses présentées sont basées sur des modélisations analytiques et numériques vérifiées par de nombreuses expériences. Nous nous intéressons en particulier au potentiel des guides autoinduits par les solitons pour des applications de routage optique et d'interconnexions reconfigurables.<br /><br />La première partie présente des résultats sur les solitons Kerr, aux longueurs d'onde des télécommunications, formés dans des guides plans basés sur le semiconducteur AlGaAs. Nous avons montré que les absorptions non linéaires, bien que faibles, influencent de manière déterminante l'autofocalisation des faisceaux. Par ailleurs, nous avons déterminé expérimentalement les durées d'impulsions compatibles avec la génération de<br />solitons. Une propagation solitonique a été obtenue sur une distance de 17 longueurs de diffraction.<br /><br />Dans une seconde partie, nous avons étudié un nouveau type de soliton brillant bidimensionnel, le soliton photoréfractif-photovoltaïque avec champ appliqué dans le LiNbO3. Ce soliton est caractérisé par l'application d'un champ électrique qui s'oppose à l'effet photovoltaïque intrinsèque au matériau afin de produire un effet non linéaire focalisant. En accord avec le modèle semi-analytique et les simulations numériques développés, les expériences réalisées montrent que ces solitons constituent une technique simple pour générer des guides à symétrie circulaire, droits ou courbes, utilisables aux longueurs d'onde du visible mais également dans l'infrarouge.<br /><br />Enfin, nous avons testé les potentialités des solitons<br />pour l'adressage optique à travers deux applications. La première a permis de vérifier les capacités des solitons Kerr dans AlGaAs pour des interconnexions rapidement reconfigurables. Dans une seconde configuration, un composant d'optique intégrée 3-D remplissant la fonction de routage 1 vers 4 a été réalisé dans le LiNbO3 à l'aide de solitons photoréfractifs.

Cette thèse porte sur l'autofocalisation de faisceaux et la propagation solitonique optique. Les résultats présentés s'appuient sur l'utilisation de deux milieux aux propriétés non linéaires complémentaires, un milieu Kerr en configuration planaire offrant une réponse ultrarapide et un milieu photoréfractif siège d'une autofocalisation stable bidimensionnelle opérationnelle à très basse puissance. Les analyses présentées sont basées sur des modélisations analytiques et numériques vérifiées par de nombreuses expériences. Nous nous intéressons en particulier au potentiel des guides autoinduits par les solitons pour des applications de routage optique et d'interconnexions reconfigurables. La première partie présente des résultats sur les solitons Kerr, aux longueurs d'onde des télécommunications, formés dans des guides plans basés sur le semiconducteur AlGaAs. Nous avonsmontré que les absorptions non linéaires, bien que faibles, influencent de manière déterminante l'autofocalisation des faisceaux. Par ailleurs, nous avons déterminé expérimentalement les durées d'impulsions compatibles avec la génération de solitons. Une propagation solitonique a été obtenue sur une distance de 17 longueurs de diffraction. Dans une seconde partie, nous avons étudié un nouveau type de soliton brillant bidimensionnel, le soliton photoréfractif-photovoltaïque avec champ appliqué dans le LiNbO3. Ce soliton est caractérisé par l'application d'un champ électrique qui s'oppose à l'effet photovoltaïque intrinsèque au matériau afin de produire un effet non linéaire focalisant. En accord avec le modèle semi-analytique et les simulations numériques développés, les expériences réalisées montrent que ces solitons constituent une technique simple pour générer des guides à symétrie circulaire, droits ou courbes, utilisables aux longueurs d'onde du visible mais également dans l'infrarouge. Enfin, nous avons testé les potentialités des solitons pour l'adressage optique à travers deux applications. La première a permis de vérifier les capacités des solitons Kerr dans AlGaAs pour des interconnexions rapidement reconfigurables. Dans une seconde configuration, un composant d'optique intégrée 3-D remplissant la fonction de routage 1 vers 4 a été réalisé dans le LiNbO3 à l'aide de solitons photoréfractifs.

Cette thèse a porté sur l'étude théorique et expérimentale d'instabilités spatiales transverses liées à l'interaction non linéaire d'ondes électromagnétiques cohérentes avec un milieu de Kerr homogène et isotrope en configuration guidée planaire — c'est-à-dire une configuration unidimensionnelle transverse ou (1+1)D. L'objectif a été d'améliorer la compréhension de certains phénomènes lumineux liés à la propagation solitonique en milieux de Kerr. En outre, notre recherche s'est inscrite dans une perspective tout autant appliquée que fondamentale, étant donné le fort potentiel de ces guides d'ondes auto-induits et reconfigurables que sont les solitons Kerr en traitement tout-optique et ultrarapide de l'information. La majeure partie de notre travail a été consacrée au processus d'instabilité de modulation spatiale en régime impulsionnel picoseconde. Intrinsèquement liée à une variation non linéaire de l'indice de réfraction via l'effet Kerr optique, cette instabilité est maîtrisable en propagation dans un guide plan et permet de créer des réseaux périodiques de faisceaux quasi-solitons, reconfigurables optiquement. Chaque soliton du réseau constitue alors un guide d'onde à gradient d'indice, dynamique et auto-induit. Ce travail a porté à la fois sur la génération et sur la stabilisation en propagation de tels réseaux, en vue d'applications au traitement parallèle optique ultrarapide de l'information. Une étude phénoménologique complète de l'instabilité de modulation spontanée (démarrant à partir du bruit spatial superposé à l'onde incidente) ou induite (par une modulation interférentielle de faible contraste) a été réalisée dans un guide plan de disulfure de carbone (CS2) à la longueur d'onde de 532 nm. Nous y avons montré pour la première fois la génération et le contrôle de réseaux de solitons spatiaux, dont la stabilité à la fois transverse et en propagation, bien que non prévue par les modèles théoriques usuels, a pu être assurée par l'inertie temporelle de la réorientation moléculaire responsable de l'effet Kerr optique dans le CS2. Par ailleurs, cette inertie de la réponse non linéaire provoque une dynamique spatio-temporelle nouvelle, responsable de l'apparition, le long de l'impulsion, d'un réseau secondaire intercalé spatialement. Quelques applications de tels réseaux de solitons, comme le guidage multiple et l'adressage, ont enfin été discutées. Le deuxième volet de cette thèse a été effectué dans le cadre d'une collaboration avec le Service d'optique et acoustique de l'université libre de Bruxelles. En utilisant une disposition particulière de la polarisation et des profils individuels d'une paire de faisceaux solitons, nous avons démontré pour la première fois expérimentalement, tout d'abord la propagation d'un état lié de ces solitons puis sa déstabilisation brutale et aléatoire par une instabilité de brisure de symétrie. Nous avons pu confirmer que l'instabilité est initiée par les fluctuations incontrôlables de l'amplitude de bruit de la source laser utilisée. Cette instabilité provient de la forte intermodulation de phase subie par la paire de solitons dans le guide CS2. Au-delà du caractère universel d'une telle instabilité, cette étude préliminaire permet d'envisager une possible application de commutation tout-optique et ultrarapide à puissance de commande arbitrairement faible.

Les cristaux liquides ont été tout le long un terrain fertile pour la recherche scientifique, des mathématiques à la science des matériaux, à l'optique. Leur utilisation ne se limite pas seulement à l'optique d'afficheurs mais s'étend à l'optique non linéaire, par exemple, à la commutation et au routage de faisceaux optiques. En raison de leur extrême sensibilité aux champs électriques, et ce sur une plage de fréquences allant du continu aux fréquences optiques, ils sont aussi utilises comme milieu non linéaires aptes à générer des faisceaux optiques auto-confinés, appelés solitons spatiaux optiques, à de très faibles puissances. Ces faisceaux ont la propriété de se propager sans diffraction, du fait que cette dernière est compensée par l’auto-focalisation non linéaire du milieu, avec formation de guides d'onde auto-induites. Dans les cristaux liquides nématiques, ces guides d'ondes peuvent à leur tours confiner et guider d’autres signaux optiques et peuvent être reconfigurés, soit optiquement, soit électriquement, du fait que la trajectoire des solitons peut être contrôlée par d'autres champs, ouvrant ainsi la voie à la manipulation tout-optique. Récemment, les cristaux liquides nématiques ont été également utilisés avec succès dans l'optique dite singulière, dans laquelle le paramètre clef est la singularité topologique portée par la phase de l'onde électromagnétique. Dans cette thèse, je rendrai compte de mon travail sur les solitons optiques spatiaux et les singularités optiques dans les cristaux liquides nématiques. / Liquid crystals have been all along a fertile background for scientific research, from mathematics to material science and optics; their use is not limited to displays but extends to nonlinear optics, for instance, to switching and routing of optical beams. Due to their extreme sensitivity to electric fields, and this at frequencies ranging from continuous to optical ones, they are also nonlinear media supporting the generation and propagation of self confined beams, called spatial optical solitons, at very low powers. Spatial optical solitons have the property to propagate without diffraction, since this is compensated by nonlinear self-focusing in the medium, resulting in self-induced waveguides. In nematic liquid crystals, these waveguides can in turn confine and route other optical signals and can be reconfigured, either optically or electrically, as soliton trajectories can be controlled by other fields, paving the way to all-optical manipulation. Nematic liquid crystals have also been recently employed with success in the so-called singular optics, in which the key parameter is the topologic singularity carried by the phase of an electromagnetic wave. In this thesis I will report on my work on spatial optical solitons and optical singularities in nematic liquid crystals.