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By using the optical near-field microscopy technique coupled to microphotoluminescence or transmittance experiments, we investigate the optical near-field properties of photonic crystal nanocavities and evidence the near-field probe ability to manipulate their resonances.

We report high-power, single-mode surface-emission from THz quantum cascade (QC) lasers with a type-II photonic heterostructure (PHS) resonator. Such resonator selectively excites the unusual radiative mode with significantly enhanced radiation efficiency. The PHS lasers (f ∼ 3.4 THz) exhibit peak output powers of 103 mW at 20K, and the maximum operation temperature (T max ) is 120K in pulsed mode. PHS lasers also show a directional single-lobed far-field pattern with a typical divergence angle of 20° 9°.

International audience; no abstract

The amount of information that can be handled by computers is increasing every year. In order to satisfy this growing demand, computers need to augment the number of components in a chip and, at the same time, operate at higher speeds. This is leading long electrical interconnects to reach their limits in terms of speed and power dissipation, motivating the search of new alternatives. One of the alternatives is to use optical interconnects, because they can operate at very high speeds, dissipate less power and are more immune to electrical interference. On the other hand, optical circuits in these optical interconnect systems cannot be much larger than their electronic counterparts, what opens an opportunity for photonic crystal circuits, due to their great potential to reduce dimensions in integrated optical circuits technology. In this presentation, we analyze a few photonic crystal devices which target optical interconnect applications.

International audience; We experimentally demonstrate a very large dynamic optical reflection modulation from a simple unpatterned layered stack of phase-change materials ultrathin films. Specifically, we theoretically and experimentally demonstrate that properly designed deeply sub-wavelength GeSbTe (GST) films on a metallic mirror produce a dynamic modulation of light in the near-infrared from very strong reflection (R > 80%) to perfect absorption (A > 99, 97%) by simply switching the crystalline state of the phase-change material. While the amplitude of modulation can lead to an optical contrast up to 10 6 , we can also actively "write" intermediate levels of reflection in between extreme values, corresponding to partial crystallization of the GST layer. We further explore several layered system designs and provide guidelines to tailor the wavelength efficiency range, the angle of operation and the degree of crystallization leading to perfect absorption.

International audience; We report on the fabrication and testing of silicon-nitride-on-insulator (SiNOI) nonlinear photonic circuits for complementary metal oxide semiconductor compatible monolithic co-integration with silicon-based optoelectronics. In particular, a process has been developed to fabricate low-loss crack-free Si3N4 730-nm-thick films for Kerr-based nonlinear functions featuring full process compatibility with existing silicon photonics and front-end Si optoelectronics. Experimental evidence shows that 2.1-cm-long nanowires based on such crack-free silicon nitride films are capable of generating a frequency continuum spanning 1515-1575 nm via self-phase modulation. This work paves the way to time-stable power-efficient Kerr-based broadband sources featuring full process compatibility with Si photonic integrated circuits (Si-PICs) on CMOS-lines. Index Terms-Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS), photonic integrated circuits (PICs), frequency continuum, nonlinear optics, silicon-nitride-on-insulator (SiNOI).

International audience; no abstract

International audience; We propose energy efficient gas sensors that are based on the manipulation of the spectral and spatial emission of incandescent sources. To do so either photonic or plasmonic resonances in texturized nanostructures are employed.

8-9 décembre 2014; International audience; no abstract

The data traffic need for ultra-high definition videos as well as for the mobile data continues to grow. Within the last decade, optical frequency combs have revolutionized the telecommunications field and paved the way for groundbreaking data transmission demonstrations at previously unattainable data rates. Beside the telecommunications field, optical frequency combs brought benefits also for many other applications such as precision spectroscopy, chemical and bio sensing, optical clocks, and quantum optics. The efficiency of the four-wave mixing phenomenon from which the optical frequency comb arises critically depends on the propagation losses and consequently on the device roughness induced by the lithography and the etching processes. In addition, the bulk material absorption reduces the efficiency of the nonlinear phenomena. By using state-of-the-art complementary metal oxide semiconductor processes, the roughness can be reduced thanks to the maturity of the manufacturing, while the material bulk absorption can be reduced by thermal treatments. In addition, using a CMOS material enables a low-cost fabrication and the co-integration with electronic devices into the same chip. Silicon-nitride-on-insulator is an attractive CMOS-compatible platform for optical frequency comb generation in the telecommunication band because of the low two-photon absorption of silicon nitride when compared with crystalline silicon. However, the as deposited silicon nitride has a hydrogen related absorption in the telecommunication band. Although high-temperature annealing has been traditionally used to reduce the hydrogen content and successfully demonstrate silicon nitride-based frequency combs, this approach made the co-integration with silicon-based optoelectronics elusive, thus reducing dramatically its effective complementary metal oxide semiconductor compatibility. In this thesis, we report on the fabrication and test of annealing-free silicon nitride nonlinear photonic circuits. In particular, we have developed a process to fabricate low-loss, annealing-free and crack–free Si3N4 740-nm-thick films for Kerr-based nonlinear photonics, featuring a full process compatibility with front-end silicon photonics. Experimental evidence shows that micro-resonators using such annealing-free silicon nitride films are able to generate a frequency comb spanning 1300-2100 nm via optical parametrical oscillation based on four-wave mixing. In addition, we present the further optimized technological process related to annealed silicon nitride optical devices using high-confinement waveguides, allowing us to achieve record-low losses. This was enabled via a carefully tailored patterning etching process and an annealing treatment particularly efficient due to the already low hydrogen content in our as-deposited silicon nitride. Such improved Si3N4 platform allowed us to demonstrate on-chip integrated Kerr frequency comb sources using silicon nitride resonators that were butt-coupled to a III-V DFB laser used as a pump source. This proof of concept proves the validity of our approach for realizing fully packaged compact optical frequency combs.; La montée exponentielle du trafic de données liée au développement de l’interconnexion entre objets et personnes sur la toile nécessite de nouvelles technologies. Au cours de la dernière décennie, les peignes de fréquences optiques ont révolutionné le secteur des télécommunications, ouvrant la voie à une transmission de données à un débit de données auparavant inaccessible. Mis à part le domaine des télécommunications, les peignes de fréquences optiques ont été avantageusement exploités dans d’autres domaines comme la détection optique, la détection chimique, les horloges optiques… L'efficacité du phénomène de mélange à quatre ondes, qui sous-tend la génération des peignes de fréquences, dépend de manière significative des pertes par propagation dans les guides d’ondes optiques et, par conséquent, de la rugosité de ces derniers. De plus, l'absorption intrinsèque du matériau réduit l'efficacité des phénomènes non linéaires tout en contribuant à l’atténuation du signal lumineux dans le milieu optique de propagation. Grâce à la maturité des procédés de fabrication dits CMOS, la rugosité peut être réduite en optimisant la gravure, tandis que l’absorption peut être réduite par des traitements thermiques. L'utilisation d'un matériau CMOS permet donc une fabrication à faible coût et la co-intégration avec d’autres dispositifs optoélectroniques sur la même puce. Le nitrure de silicium sur isolant est une plateforme prometteuse pour la génération de peignes de fréquences optiques grâce à la faible absorption à deux photons dans ce matériau par rapport au silicium cristallin. Cependant, le nitrure présente une absorption dans la bande des télécommunications relié à la présence des liens moléculaires N-H. Tandis que des recuits à haute température ont été utilisés pour réduire le contenu en hydrogène du film et démontrer avec succès la génération de peignes de fréquence, ces procédés rendent la co-intégration monolithique de ces dispositifs en nitrure de silicium avec une optoélectronique à base de silicium très difficile, réduisant ainsi considérablement sa compatibilité avec les autres matériaux CMOS. Dans cette thèse, nous décrivons la conception, la fabrication et les caractérisations de circuits photoniques non-linéaires en nitrure de silicium sans recuit. En particulier, nous avons mis au point un procédé de fabrication de films de Si3N4 d'une épaisseur de 740 nm, sans utilisation de recuit et avec une maitrise de la gestion des contraintes typiquement associées à ce type de matériau pour l’optique non linéaire. Cette approche offre une compatibilité de fabrication technologique avec la photonique sur silicium. Des preuves expérimentales montrent que les micro-résonateurs utilisant de tels films de nitrure de silicium sans recuit sont capables de générer un peigne de fréquence s'étendant sur 1300-2100 nm via une oscillation paramétrique optique basée sur du mélange à quatre ondes. En allant encore plus loin, nous présentons également les travaux d’optimisation technologique portant sur des microrésonateurs en nitrure de silicium recuits avec des guides d’onde à fort confinement modal, qui nous ont permis d’atteindre des pertes de propagation record. Ces résultats ont été rendus possible grâce à une optimisation fine des étapes de gravure des guides d’onde ainsi qu’à l'utilisation de traitements thermiques-chimiques efficaces. Cette nouvelle approche nous a permis de démontrer par ailleurs des sources de peignes de fréquences intégrées sur puce utilisant des résonateurs en nitrure de silicium couplés par aboutement à un laser III-V DFB utilisé comme une pompe. Cette preuve de concept prouve la validité de notre plateforme de circuits photoniques non-linéaires en Si3N4 pour la réalisation de peignes de fréquences optiques ultra-compacts à faible consommation.

The data traffic need for ultra-high definition videos as well as for the mobile data continues to grow. Within the last decade, optical frequency combs have revolutionized the telecommunications field and paved the way for groundbreaking data transmission demonstrations at previously unattainable data rates. Beside the telecommunications field, optical frequency combs brought benefits also for many other applications such as precision spectroscopy, chemical and bio sensing, optical clocks, and quantum optics. The efficiency of the four-wave mixing phenomenon from which the optical frequency comb arises critically depends on the propagation losses and consequently on the device roughness induced by the lithography and the etching processes. In addition, the bulk material absorption reduces the efficiency of the nonlinear phenomena. By using state-of-the-art complementary metal oxide semiconductor processes, the roughness can be reduced thanks to the maturity of the manufacturing, while the material bulk absorption can be reduced by thermal treatments. In addition, using a CMOS material enables a low-cost fabrication and the co-integration with electronic devices into the same chip. Silicon-nitride-on-insulator is an attractive CMOS-compatible platform for optical frequency comb generation in the telecommunication band because of the low two-photon absorption of silicon nitride when compared with crystalline silicon. However, the as deposited silicon nitride has a hydrogen related absorption in the telecommunication band. Although high-temperature annealing has been traditionally used to reduce the hydrogen content and successfully demonstrate silicon nitride-based frequency combs, this approach made the co-integration with silicon-based optoelectronics elusive, thus reducing dramatically its effective complementary metal oxide semiconductor compatibility. In this thesis, we report on the fabrication and test of annealing-free silicon nitride nonlinear photonic circuits. In particular, we have developed a process to fabricate low-loss, annealing-free and crack–free Si3N4 740-nm-thick films for Kerr-based nonlinear photonics, featuring a full process compatibility with front-end silicon photonics. Experimental evidence shows that micro-resonators using such annealing-free silicon nitride films are able to generate a frequency comb spanning 1300-2100 nm via optical parametrical oscillation based on four-wave mixing. In addition, we present the further optimized technological process related to annealed silicon nitride optical devices using high-confinement waveguides, allowing us to achieve record-low losses. This was enabled via a carefully tailored patterning etching process and an annealing treatment particularly efficient due to the already low hydrogen content in our as-deposited silicon nitride. Such improved Si3N4 platform allowed us to demonstrate on-chip integrated Kerr frequency comb sources using silicon nitride resonators that were butt-coupled to a III-V DFB laser used as a pump source. This proof of concept proves the validity of our approach for realizing fully packaged compact optical frequency combs., La montée exponentielle du trafic de données liée au développement de l’interconnexion entre objets et personnes sur la toile nécessite de nouvelles technologies. Au cours de la dernière décennie, les peignes de fréquences optiques ont révolutionné le secteur des télécommunications, ouvrant la voie à une transmission de données à un débit de données auparavant inaccessible. Mis à part le domaine des télécommunications, les peignes de fréquences optiques ont été avantageusement exploités dans d’autres domaines comme la détection optique, la détection chimique, les horloges optiques… L'efficacité du phénomène de mélange à quatre ondes, qui sous-tend la génération des peignes de fréquences, dépend de manière significative des pertes par propagation dans les guides d’ondes optiques et, par conséquent, de la rugosité de ces derniers. De plus, l'absorption intrinsèque du matériau réduit l'efficacité des phénomènes non linéaires tout en contribuant à l’atténuation du signal lumineux dans le milieu optique de propagation. Grâce à la maturité des procédés de fabrication dits CMOS, la rugosité peut être réduite en optimisant la gravure, tandis que l’absorption peut être réduite par des traitements thermiques. L'utilisation d'un matériau CMOS permet donc une fabrication à faible coût et la co-intégration avec d’autres dispositifs optoélectroniques sur la même puce. Le nitrure de silicium sur isolant est une plateforme prometteuse pour la génération de peignes de fréquences optiques grâce à la faible absorption à deux photons dans ce matériau par rapport au silicium cristallin. Cependant, le nitrure présente une absorption dans la bande des télécommunications relié à la présence des liens moléculaires N-H. Tandis que des recuits à haute température ont été utilisés pour réduire le contenu en hydrogène du film et démontrer avec succès la génération de peignes de fréquence, ces procédés rendent la co-intégration monolithique de ces dispositifs en nitrure de silicium avec une optoélectronique à base de silicium très difficile, réduisant ainsi considérablement sa compatibilité avec les autres matériaux CMOS. Dans cette thèse, nous décrivons la conception, la fabrication et les caractérisations de circuits photoniques non-linéaires en nitrure de silicium sans recuit. En particulier, nous avons mis au point un procédé de fabrication de films de Si3N4 d'une épaisseur de 740 nm, sans utilisation de recuit et avec une maitrise de la gestion des contraintes typiquement associées à ce type de matériau pour l’optique non linéaire. Cette approche offre une compatibilité de fabrication technologique avec la photonique sur silicium. Des preuves expérimentales montrent que les micro-résonateurs utilisant de tels films de nitrure de silicium sans recuit sont capables de générer un peigne de fréquence s'étendant sur 1300-2100 nm via une oscillation paramétrique optique basée sur du mélange à quatre ondes. En allant encore plus loin, nous présentons également les travaux d’optimisation technologique portant sur des microrésonateurs en nitrure de silicium recuits avec des guides d’onde à fort confinement modal, qui nous ont permis d’atteindre des pertes de propagation record. Ces résultats ont été rendus possible grâce à une optimisation fine des étapes de gravure des guides d’onde ainsi qu’à l'utilisation de traitements thermiques-chimiques efficaces. Cette nouvelle approche nous a permis de démontrer par ailleurs des sources de peignes de fréquences intégrées sur puce utilisant des résonateurs en nitrure de silicium couplés par aboutement à un laser III-V DFB utilisé comme une pompe. Cette preuve de concept prouve la validité de notre plateforme de circuits photoniques non-linéaires en Si3N4 pour la réalisation de peignes de fréquences optiques ultra-compacts à faible consommation.

Work carried out in this thesis is part of the overall work done at INL on optical resonators based on photonic crystals for the design of passive as well as active components integrated on silicon chips.These works especially focus on spectral properties and propagation control of guided modes and resonances settled in photonic crystal slabs. They rely partly on the guided nature of these modes as well as their symmetry properties to generate on-demand photonic dispersions. Indeed, control of the spectro-spatial properties is overriding for the design of efficient photonic components. For instance, obtaining a laser effect with a photonic crystal requires a precise control of both spectral properties (high quality factor) and spatial ones (high light slow-down) so that large photonic densities of states are achieved. Thereby, numerous strategies of control have been developed during the 2000s, allowing a laser effect to occur with various structures. Nonetheless, despite both manufacture and design qualities have been improved, these components still remain hardly competitive compared to other technologies. Demonstrating the versatility of these structures by achieving novel functionalities like beam steering or other capacities would be a real betterment.Recently, new strategies to control light using photonic crystals have been discovered. These strategies are based on completely new phenomena. For instance, new possibilities to localize light based on novel light decoupling processes from the continuum have arisen and Dirac cone dispersions could allow the formation of monomode larger-area photonic crystal lasers. These new phenomena enabled to consider new approaches to design photonic crystal laser that could lead to the novel functionalities sought.In parallel, the use of multimode photonic membranes still remains uncommon in the literature. The use of several guided orders gives additional possibilities to the control of light propagation within photonic crystal membrane thought. This additional control can lead to improved slowing-down capabilities or exotic dispersion generation.The goal of this thesis is to set up the fundamental blocks on which these particular dispersions are based on. In this purpose, a theoretical model allowing apprehending the coupling dynamic occurring in photonic crystal membranes is established. Then, this model is compared to simulation results and experimental characterizations of the manufactured structures., Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s'inscrivent dans la suite des travaux réalisés par l'INL (Institut des Nanotechnologies de Lyon) sur les résonateurs optiques à base de cristaux photoniques membranaires pour la réalisation de composants actifs ou passifs intégrés sur silicium. Ces travaux se concentrent particulièrement sur le contrôle des propriétés de propagation des modes et des résonances guidés s'établissant dans les cristaux photoniques membranaires. Ils s'appuient notamment sur la nature partiellement ou totalement guidée de ces modes, ainsi que des propriétés de symétrie des structures (ou au contraire de dissymétrie) afin de pouvoir générer des dispersions photoniques à la demande.En effet, le contrôle des propriétés spectro-spatiales est primordiale à la réalisation de composants photoniques efficients. Par exemple l'établissement d'un régime d'émission laser dans un cristal photonique membranaire passe par un contrôle minutieux des propriétés temporelles de la résonance (fort facteur de qualité) mais aussi spatiales (fort ralentissement de la lumière) afin de pouvoir générer des densités d'états photoniques suffisamment importantes. Ainsi, de nombreuses stratégies de contrôle ont été mises en place durant les années 2000, permettant l'établissement d'un régime laser dans des structures diverses. Néanmoins, si les méthodes de fabrication et la maîtrise dans la conception de ces structures se sont améliorées au fil de leur développement, ces dispositifs restent difficilement compétitifs face à d'autres technologies. Démontrer la versatilité de ces structures par l'ajout de fonctionnalités tels que le \emph{beam steering} ou d'autres capacités serait alors une véritable plus-value.Récemment, de nouvelles stratégies de contrôle de la lumière ont émergé. Ces stratégies se basent sur une approche totalement différente des procédés de contrôle habituels. Ainsi, on peut citer les nouveaux phénomènes de localisation de la lumière basés sur des procédés inédits de découplage de la lumière du continuum radiatif, ou des dispersions en cône de Dirac qui pourraient permettre la réalisation de composants originaux tels que des lasers mono-modes à grande surface active. Ces nouveaux phénomènes permettent d'envisager d'autres approches pour la réalisation de lasers à cristaux photoniques et pourraient apporter les nouvelles fonctionnalités recherchées. Parallèlement, l'utilisation de membranes photoniques multi-modes reste encore peu répandue dans la littérature. L'utilisation conjointe de modes d'ordres différents offre pourtant des possibilités supplémentaires dans le contrôle des propriétés de propagation de la lumière dans les cristaux photoniques membranaires. Ce contrôle supplémentaire peut se traduire par des capacités de ralentissement de la lumière accrues ou par la réalisation de dispersions plus exotiques.Le but de cette thèse est alors de mettre en place les briques conceptuelles nécessaires à la génération de ces dispersions particulières. Pour cela, un modèle théorique permettant d'appréhender les dynamiques de couplage opérant dans les cristaux photoniques membranaires étudiés est mis en place. Ce modèle est ensuite confronté aux résultats de simulation ainsi qu'aux caractérisations optiques des structures fabriquées. En parallèle, une étude prospective des applications possibles est menée pour chacune des dispersions générées.

Work carried out in this thesis is part of the overall work done at INL on optical resonators based on photonic crystals for the design of passive as well as active components integrated on silicon chips.These works especially focus on spectral properties and propagation control of guided modes and resonances settled in photonic crystal slabs. They rely partly on the guided nature of these modes as well as their symmetry properties to generate on-demand photonic dispersions. Indeed, control of the spectro-spatial properties is overriding for the design of efficient photonic components. For instance, obtaining a laser effect with a photonic crystal requires a precise control of both spectral properties (high quality factor) and spatial ones (high light slow-down) so that large photonic densities of states are achieved. Thereby, numerous strategies of control have been developed during the 2000s, allowing a laser effect to occur with various structures. Nonetheless, despite both manufacture and design qualities have been improved, these components still remain hardly competitive compared to other technologies. Demonstrating the versatility of these structures by achieving novel functionalities like beam steering or other capacities would be a real betterment.Recently, new strategies to control light using photonic crystals have been discovered. These strategies are based on completely new phenomena. For instance, new possibilities to localize light based on novel light decoupling processes from the continuum have arisen and Dirac cone dispersions could allow the formation of monomode larger-area photonic crystal lasers. These new phenomena enabled to consider new approaches to design photonic crystal laser that could lead to the novel functionalities sought.In parallel, the use of multimode photonic membranes still remains uncommon in the literature. The use of several guided orders gives additional possibilities to the control of light propagation within photonic crystal membrane thought. This additional control can lead to improved slowing-down capabilities or exotic dispersion generation.The goal of this thesis is to set up the fundamental blocks on which these particular dispersions are based on. In this purpose, a theoretical model allowing apprehending the coupling dynamic occurring in photonic crystal membranes is established. Then, this model is compared to simulation results and experimental characterizations of the manufactured structures.; Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s'inscrivent dans la suite des travaux réalisés par l'INL (Institut des Nanotechnologies de Lyon) sur les résonateurs optiques à base de cristaux photoniques membranaires pour la réalisation de composants actifs ou passifs intégrés sur silicium. Ces travaux se concentrent particulièrement sur le contrôle des propriétés de propagation des modes et des résonances guidés s'établissant dans les cristaux photoniques membranaires. Ils s'appuient notamment sur la nature partiellement ou totalement guidée de ces modes, ainsi que des propriétés de symétrie des structures (ou au contraire de dissymétrie) afin de pouvoir générer des dispersions photoniques à la demande.En effet, le contrôle des propriétés spectro-spatiales est primordiale à la réalisation de composants photoniques efficients. Par exemple l'établissement d'un régime d'émission laser dans un cristal photonique membranaire passe par un contrôle minutieux des propriétés temporelles de la résonance (fort facteur de qualité) mais aussi spatiales (fort ralentissement de la lumière) afin de pouvoir générer des densités d'états photoniques suffisamment importantes. Ainsi, de nombreuses stratégies de contrôle ont été mises en place durant les années 2000, permettant l'établissement d'un régime laser dans des structures diverses. Néanmoins, si les méthodes de fabrication et la maîtrise dans la conception de ces structures se sont améliorées au fil de leur développement, ces dispositifs restent difficilement compétitifs face à d'autres technologies. Démontrer la versatilité de ces structures par l'ajout de fonctionnalités tels que le \emph{beam steering} ou d'autres capacités serait alors une véritable plus-value.Récemment, de nouvelles stratégies de contrôle de la lumière ont émergé. Ces stratégies se basent sur une approche totalement différente des procédés de contrôle habituels. Ainsi, on peut citer les nouveaux phénomènes de localisation de la lumière basés sur des procédés inédits de découplage de la lumière du continuum radiatif, ou des dispersions en cône de Dirac qui pourraient permettre la réalisation de composants originaux tels que des lasers mono-modes à grande surface active. Ces nouveaux phénomènes permettent d'envisager d'autres approches pour la réalisation de lasers à cristaux photoniques et pourraient apporter les nouvelles fonctionnalités recherchées. Parallèlement, l'utilisation de membranes photoniques multi-modes reste encore peu répandue dans la littérature. L'utilisation conjointe de modes d'ordres différents offre pourtant des possibilités supplémentaires dans le contrôle des propriétés de propagation de la lumière dans les cristaux photoniques membranaires. Ce contrôle supplémentaire peut se traduire par des capacités de ralentissement de la lumière accrues ou par la réalisation de dispersions plus exotiques.Le but de cette thèse est alors de mettre en place les briques conceptuelles nécessaires à la génération de ces dispersions particulières. Pour cela, un modèle théorique permettant d'appréhender les dynamiques de couplage opérant dans les cristaux photoniques membranaires étudiés est mis en place. Ce modèle est ensuite confronté aux résultats de simulation ainsi qu'aux caractérisations optiques des structures fabriquées. En parallèle, une étude prospective des applications possibles est menée pour chacune des dispersions générées.

Integrated photonics offers a vast choice of nonlinear optical phenomena that could potentially be used for realizing chip-based and cost-effective all-optical signal processing devices that can handle, in principle, optical data signals at very high bit rates. The new components and technological solutions arising from this approach could have a considerable impact for telecom and datacom applications. Nonlinear optical effects (such as the optical Kerr effect or the Raman effect) can be potentially used for realizing active devices (e.g. optical amplifiers, modulators, lasers, signal regenerators and wavelength converters). During the last decade, the silicon on insulator (SOI) platform has known a significant development by exploiting the strong optical confinement, offered by this material platform, which is key for the miniaturization and realization of integrated optical devices (such as passive filters, splitters, junctions and multiplexers). However, the presence of strong nonlinear losses in the standard telecom band (around 1.55 µm) prevents some applications where a strong nonlinear optical response is needed and has motivated the research of more suitable material platforms. The primary goal of this thesis was the study of material alternatives to crystalline silicon (for instance hydrogenated amorphous silicon) with very low nonlinear losses and compatible with the CMOS process in order to realize integrated photonics devices based on nonlinear optical phenomena. Alternatively, the use of longer wavelengths (in the mid-IR) relaxes the constraints on the choice of the material platform, through taking advantage of lower nonlinear losses, for instance on the SiGe platform, which is also explored in this thesis. This work is organized as follows. In the first chapter we provide an overview of the nonlinear optical effects used to realize all optical signal processing functions, focusing on the key parameters that are essential (optical confinement and dispersion engineering) for integrated optical components, and presenting the main models used in this thesis. This chapter also includes a review of the main demonstrations reported on crystalline silicon, to give some benchmarks. Chapter 2 introduces the use of photonic crystals as integrated optical structures that can significantly enhance nonlinear optical phenomena. First we present photonic crystal cavities, with a demonstration of second and third harmonic generation that makes use of an original design. In the second part of the chapter, we describe the main features and challenges associated with photonic crystal waveguides in the slow light regime, which will be used later in chapter 4. In chapter 3, we report the experimental results related to the characterization of the optical nonlinear response of integrated waveguides made of two materials that are alternative to crystalline silicon : the hydrogenated amorphous silicon, probed in the near infrared, and the silicon germanium, probed in the mid-infrared. The model presented in chapter 1 is extensively used here for extracting the nonlinear parameters of these materials and it is also extended to account for higher order nonlinearities in the case of silicon germanium tested at longer wavelengths. This chapter also includes a comparison of the nonlinear properties of these two material platforms with respect to the standard SOI. In chapter 4, we combine the use of a material platform that is better suited than SOI for nonlinear applications with integrated photonics structures that are more advanced that those used in chapter 3. Here we describe the design of (slow) modes in photonic crystal waveguides made in hydrogenated amorphous silicon fully embedded in silica. [...], La photonique intégrée offre la possibilité d’exploiter un vaste bouquet de phénomènes optique nonlinéaires pour la génération et le traitement de signaux optiques sur des puces très compactes et à des débits potentiels extrêmement rapides. De nouvelles solutions et technologies de composants pourraient être ainsi réalisées, avec un impact considérable pour les applications télécom et datacom. L’utilisation de phénomènes optiques nonlinéaires (e.g. effet Kerr optique, effet Raman) permet même d’envisager la réalisation de composants actifs (e.g. amplificateurs, modulateurs, lasers, régénérateurs de signaux et convertisseurs en longueur d’onde).Pendant cette dernière décennie, les efforts ont principalement porté sur la plateforme Silicium sur isolant (SOI), profitant du fort confinement optique dans ce matériau, qui permet la miniaturisation et intégration de composants optiques clés (e.g. filtres passifs, jonctions coupleurs et multiplexeurs). Cependant, la présence de fortes pertes nonlinéaires dans ce matériau aux longueurs d’onde d’intérêt (i.e. autour de 1.55 µm dans les télécommunications) limite certaines applications pour lesquelles une forte réponse nonlinéaire est nécessaire et motive la recherche de nouvelles plates-formes, mieux adaptées. L’objectif premier de cette thèse était ainsi l’étude de matériaux alternatifs au Si cristallin, par exemple le silicium amorphe hydrogéné, alliant de très faibles pertes nonlinéaires et une compatibilité CMOS, pour la réalisation de dispositifs photoniques intégrés qui exploitent les phénomènes nonlinéaires. Alternativement, l’utilisation de longueurs d’onde plus élevées (dans le moyen-IR) permet de relaxer la contrainte sur le choix de la filière matériau, en bénéficiant de pertes nonlinéaires réduites, par exemple dans la filière SiGe, également explorée dans cette thèse. Ce travail est organisé de la façon suivante. Le premier chapitre donne un iii panorama des phénomènes nonlinéaires qui permettent de réaliser du traitement tout-optique de l’information, en mettant en évidence les paramètres clés à maitriser (confinement optique, ingénierie de dispersion) pour les composants d’optique intégrée, et en présentant le cadre de modélisation de ces phénomènes utilisé dans le travail de thèse. Il inclut également une revue des démonstrations marquantes publiées sur Silicium cristallin, donnant ainsi des points de référence pour la suite du travail. Le chapitre 2 introduit les cristaux photoniques comme structures d’optique intégrée permettant d’exalter les phénomènes nonlinéaires. On s’intéresse ici aux cavités, avec une démonstration de génération de deuxième et troisième harmoniques qui exploite un design original. Ce chapitre décrit également les enjeux associés à l’utilisation de guides à cristaux photoniques en régime de lumière lente, qui serviront de fondements pour le chapitre 4. Le chapitre 3 présente les résultats de caractérisation de la réponse nonlinéaire associée à des guides réalisés dans deux matériaux alternatifs au silicium cristallin : le silicium amorphe hydrogéné testé dans le proche infrarouge et le silicium germanium testé dans le moyen infrarouge. Le modèle présenté au chapitre 1 est exploité pour déduire la réponse de ces deux matériaux, et il est même étendu pour rendre compte d’effets nonlinéaires d’ordre plus élevé dans le cas du silicium germanium à haute longueur d’onde. Ce chapitre inclut également une discussion sur la comparaison des propriétés nonlinéaires de ces deux matériaux avec le SOI standard. Le chapitre 4 combine l’utilisation d’une plate-forme plus prometteuse que le SOI, avec des structures photoniques plus avancées que les simples guides réfractifs utilisés au chapitre 3 : il décrit l’ingénierie de modes (lents) dans des guides à cristaux photoniques en silicium amorphe hydrogéné et enterrés dans la silice. [...]

Nowadays, the increasing concern for environmental analysis and food quality control, as well as medical needs such as fast diagnosis in case of emergency events, leads to a growing need for new generations of chemical and biological sensors. These devices should have high sensitivity and reliability, perform specific detection of molecules and enable multiple parallel sensing, while being cheap, portable, fast and easy to use. Thus, a general trend tends towards bio-chemical sensors which are on-chip integrated, label-free, and compatible with standard micro-technologies. Photonic dielectric devices based on porous silicon and metallic nanostructures based on plasmon resonances are good candidates to fulfill the above requirements. Porous silicon is a biocompatible material, with a huge specific surface providing a sensitivity enhancement by several orders of magnitude compared to bulk materials; furthermore, its refractive index and thickness can be easily tuned, enabling for the realization of a large variety of photonic designs. Metallic nanostructures provide high confinement and strong field enhancement in sub-wavelength regions, leading to high sensitivities; combined with fluorescence or other sensing mechanisms such as Raman or IR spectroscopy, they have already demonstrated increased sensing potential. The realization of a hybrid device combining both elements would be highly interesting, since it could yield the advantages of both elements, and the photonic structure could shape the plasmonic resonance to develop ultrasensitive devices with narrow resonance linewidth and increased sensing depth. In this context, we realized and studied a novel hybrid photonic / plasmonic device exploiting the coupling between the surface plasmon resonance of a bowtie nano - antenna (NAs) array and the photonic modes of porous silicon (PSi) interferometer. We designed and fabricated a NAs array with resonance wavelength ~ 1.3μm on a homogeneous PSi interferometer. A thin spacing silica layer with controllable density protects the pores of PSi layer and provides a smooth surface for the fabrication of NAs. The coupling mechanisms of two elements - NA array and interferometer, are studied with 2 models, which are interferometer approach and resonator approach. The interferometer approach is focused on studying the influence of NAs array as a homogeneous layer on the fringes shift of the interferometer. For resonator approach, the coupled mode theory is applied. With these models, strong coupling between both elements are discovered: splitting. In the case of viii smaller environment variation, the hybrid device gains 5-10 fold sensitivity enhancement vs. 2 elements alone. The controllable SiO2 layer allows us to sense the index variation within PSi interferometer. This opens a route towards double parallel sensing. The development of the theoretical models under different environment is ongoing, which is expected to utilize the strong coupling for the sensing. A further investigation of the sensing potential of the hybrid device would be expected. And the 2 elements constituting the hybrid structure – the interferometer and the NA array – could be modified in order to enlarge the study to a wider family of devices with greater properties and performances. This work was performed within the framework of the program “Groups of Five Ecoles Centrales” between China Scholarship Council (CSC) and Lyon Institute of Nanotechnologies (INL, CNRS UMR 5270). The project has been supported by the Nanolyon technology platform at INL., Aujourd'hui, la préoccupation croissante pour l'analyse environnementale et le contrôle de la qualité des aliments, ainsi que les besoins médicaux tels que le diagnostic rapide en cas de situations d'urgence, entraîne un besoin croissant de nouvelles générations de capteurs chimiques et biologiques. Ces dispositifs doivent avoir une haute sensibilité et fiabilité, ils doivent permettre une détection spécifique de molécules et une détection parallèle de différentes molécules, tout en étant bas coût, portables, rapides et faciles à utiliser. Ainsi, une tendance générale se porte sur les capteurs biochimiques intégrés sur puce, sans marqueur, et compatibles avec les procédés standard des micro-technologies. Les dispositifs diélectriques photoniques à base de silicium poreux et les nanostructures métalliques à résonances plasmoniques sont de bons candidats pour répondre aux exigences ci-dessus. Le silicium poreux est un matériau biocompatible, avec une énorme surface spécifique entrainant un gain de la sensibilité de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux matériaux massifs ; en outre, son indice de réfraction et son épaisseur peuvent être facilement ajustés, permettant la réalisation d'une grande variété de dispositifs photoniques. Les nanostructures métalliques offrent un fort confinement et une forte amplification du champ électromagnétique dans des régions sub-longueur d'onde, ce qui conduit à des sensibilités élevées ; combinées avec d’autres mécanismes de détection comme la fluorescence, le Raman ou la spectroscopie IR, elles ont déjà démontré un gain important du potentiel pour la détection. La réalisation d'un dispositif hybride combinant ces deux éléments est très intéressant, car il peut offrir les avantages des deux éléments ; la structure photonique pourrait aussi façonner la résonance plasmonique pour le développement de dispositifs ultrasensibles à largeur de raie de résonance étroite tout en ayant une profondeur de détection accrue. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'explorer les défis de cette solution en considérant la conception, la réalisation, la caractérisation et le potentiel de dispositifs hybrides photoniques/plasmoniques qui exploitent le couplage entre la résonance plasmonique de surface localisée d'un réseau d'antennes papillon et les modes photoniques d'un interféromètre en silicium poreux.

Metallic nano-particles or nano-antennas (NAs) provide a strong spatial confinement down to the sub wavelength regime. However, a key challenge is to address and collect light from those nano-scale systems. The tiny active area of the NA is both an advantage for its miniaturization, and a real limit for the level of the collected signal. Therefore, one needs to reconsider how to drive efficiently such NA. Here, we propose to tackle this important issue by designing and realizing a novel nano-optical device based on the use of a photonic crystal cavity (PC cavity) to generate an efficient coupling between the external source and a NA. In this thesis, we design and realize a novel nano-optical device based on the coupling engineering of a photonic crystal (PC) cavity and a nanoantenna (NA). The research work includes nanodevice design, fabrication and characterization. The PC structures are formed in an InP-based membrane with four InAsP quantum wells are in the centre of the membrane to act as an optical gain material of laser mode. The PC structures include defect mode PC structures and Bloch mode PC structures. The bowtie NAs are placed on the backbone of the PC structures. The fabrication of the PC is done by electron beam lithography. Reactive ion beam etching (RIBE) is used to transmit the patterns of PC structures into the InP layer. The NAs are then deterministically positioned on the PC structures by a second e-beam exposure followed by a lift-off process. Overlay measurements showed that the deviation in the alignment error could be as small as 20nm.Optical properties of the hybrid structure are investigated in both far-field and near-field. The far-field measurement shows that the NA increases the lasing threshold of the PC cavity. The wavelength of the laser is also impacted. Near-field scanning optical microscopy (SNOM) has employed to investigate the near-field optical field distribution. The measurement results show that the NA modifies the mode of the structure and localizes the optical field under it. The modification depends on the position and orientation of the NA., Pas de résumé

The lack of suitable monochromatic continuous-wave terahertz source consists of one the majors hurdles for terahertz spectrum applications development in various domains. Both electronic and optic technologies don't allow covering all terahertz electromagnetic spectrum (0.3-10 THz). In this context and in order to generate high spectral purity wave over all THz spectrum window, a well-established technique consists in the photo-mixing procedure, where an ultrafast optoelectronic device is pumped by two laser signals whose frequencies are separated by an offset in the 0.3-5 THz window. In this work, we propose a novel dual-wavelength photonic micro resonator to provide a dual-mode monolithic semiconductor laser for THz generation by photo-mixing instead of the basic photo-mixing approach based on the use of two independent lasers. The novel photonic microresonator associates a vertical Fabry Perot (FP) cavity and photonic crystal membrane (PCM)resonators. A PCM exhibiting a resonant mode at normal incidence is inserted in a FP cavity with a resonant vertical mode at the same wavelength λ0. The resulting strong optical coupling leads to the generation of two mixed modes separated by a frequency difference which can be tuned through the loss rate of the PCM and its position inside the FP cavity. The work of this thesis focuses on the design, the micro-fabrication and the characterization of the dual-frequency resonator and its application to the realization of a single compact and flexible dual-mode semiconductor laser source around 1.55μm., L'absence de source continue monochromatique Térahertz (THz) appropriée constitue un handicap majeur pour le développement des applications associées à cette gamme de longueur d'ondes. En effet, les technologies électroniques et optiques actuelles ne permettent de couvrir qu'une part réduite du spectre électromagnétique THz (0,3-10 THz). Dans ce contexte, la conversion de fréquences optiques, et plus précisément le photo -mélange, est une voie prometteuse pour la génération de signal THz de haute pureté spectrale sur toute la fenêtre du spectre THz. Le photomélange consiste à pomper un dispositif optoélectronique ultrarapide par deux signaux lasers dont les fréquences sont séparées par quelques THz (0,3 à 5 THz). Dans ce travail, nous proposons un nouveau micro-résonateur photonique bifréquence à cavité verticale et monolithique pour la réalisation de source laser bifréquence pour le photomélange. Ce nouveau résonateur est basé sur le couplage de deux résonateurs photoniques, un cristal photonique membranaire résonant d'une part et une cavité Fabry Pérot verticale d'autre part, accordés spectralement, pour réaliser un composant bifréquence. Le couplage optique résultant de l'association de ces deux éléments permet la génération de deux modes hybrides dont la différence de fréquence peut être ajustée en fonction du taux de couplage et donc de la position du cristal photonique dans le micro-résonateur. Le présent travail de thèse porte sur la conception, la fabrication de ce nouveau dispositif bifréquence et son application à la réalisation d'une source laser bi-mode semiconductrice fonctionnant à 1.55dm.