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National audience; Photonic crystals are periodic structures that exhibit remarkable dispersive properties. Theymake it possible to manipulate, filter, guide, and shape light at the wavelength scale, paving theway for on-chip, hybrid, or integrated photonic engineering. Since the 1990s, research effortshave focused on exploiting bandgap openings in defect guides components to guide and confinelight. In 1999 new effects were highlighted, based entirely on the dispersive properties ofphotonic crystals, allowing the design of optical multiplexers, ultra-selective filters, and self-collimation guides. Self-collimation exploits the dispersive properties of the crystal, to containthe transverse spread of a beam and ensures "self-guided" propagation. This occurs in theabsence of cross-talking between two beams propagating in the crystal, which makes it possibleto design multi-channel photonic interconnections. This guiding occurs at any point in thecrystal, it is not necessary to superimpose an incident beam with a defect or an index contrastguide, which requires precise alignments with submicron tolerances. However, photoniccrystals show planar losses at interfaces, which complicates the injection and extraction of light,and the high air filling factor of the medium does not allow to combine self-collimation withother phenomena such as laser effect. From the year 2012 a new effect has been put forward:mesoscopic self-collimation (MSC), which makes it possible to guide light in a mediumalternating photonic crystal and homogeneous high index material, and to drastically improvethe injection and extraction of light. This phenomenon can take place in arbitrary direction andunder the light cone. In MSC laser cavities the homogeneous medium acts as an active medium,so a "self-guided" laser emission is obtained; then, by playing with the size of each medium, itis possible to design flat mirrors with high angular acceptance. We can obtain ultra-compactFabry-Perot cavities. This thesis is part of the continuation of the research on these laser cavitiesand seeks to produce its first experimental demonstration. The laser effect is possible when thegain of the active medium compensates for optical losses. We seek to minimize optical lossesand increase the gain of the homogeneous medium. We developpe a parametric design model,with very low numerical cost, to design MSC structures in arbitrary directions, whileminimizing planar and out-of-plane optical losses. Then, by ensuring lossless energypropagation, MSC conditions are simple to achieve. In a second step, we are interested in thedevelopment of a membrane manufacturing process, in the III-V sector, which preserves theactive environment and minimizes optical losses from manufacturing defects. Our starting pointis a manufacturing process developed in 2011 that has significant limitations. Some steps inthis process are incompatible with MOS technologies and therefore limit their use for integratedcircuits. Other steps introduce defects that can create non-radiative recombination sites thatincrease optical loss. The various steps had to be improved or redesigned and the entire processalso had to be adapted to the new machines present in the clean room, which have never beentested for the manufacture of photonic crystals.; Les cristaux photoniques sont des structures périodiques qui présentent des propriétésdispersives remarquables. Elles permettent de manipuler, filtrer, guider et façonner la lumièreà l’échelle de la longueur d’onde, ouvrant la voie à l’ingénierie photonique sur puce, hybrideou intégrée. Depuis les années 1990, les efforts de recherche se focalisent sur l’exploitation desouvertures de bandes interdites dans les composants à défauts, pour guider et confiner lalumière. En 1999 de nouveaux effets ont été mis en évidence, reposant entièrement sur lespropriétés dispersives des cristaux photoniques, permettant la conception des multiplexeursoptiques et des filtres ultra-sélectifs et des guides à autocollimation. L’autocollimation exploiteles propriétés dispersives du cristal pour contenir l’étalement transverse d’un faisceau et assurerune propagation « auto-guidée ». Ceci se produit en absence de diaphonie (ou « cross-talking») entre deux faisceaux se propageant dans le cristal, ce qui permet de concevoir desinterconnections photoniques multi-canaux. Ce guidage se produit en tout point du milieu, iln’est pas nécessaire de superposer un faisceau incident avec un défaut ou un guide à contrasted’indice, ce qui exige des alignements précis avec des tolérances submicroniques. Cependant,les cristaux photoniques présentent des pertes planaires aux interfaces, ce qui compliquel’injection et l’extraction de lumière et le fort facteur de remplissage en air du milieu ne permetpas de combiner l’autocollimation à d’autres phénomènes tel que l’effet laser.A partir de l’année 2012 un nouvel effet a été mis en avance : l’autocollimation mésoscopique(MSC), qui permet de guider la lumière dans un milieu alternant cristal photonique etmatériau homogène haut indice et d’améliorer drastiquement l’injection et l’extraction delumière. Ce phénomène a lieu suivant des direction arbitraires et parfois sous le cône delumière. Dans les cavités lasers à MSC le milieu homogène agit en tant que milieu actif, onobtient donc une émission laser « auto-guidé » ; puis, en jouant avec la taille de chaquemilieu, il est possible de concevoir des miroirs plans à haute acceptance angulaire. Nousobtenons donc des cavités Fabry-Pérot ultracompactes.Cette thèse s’inscrit sur la suite des recherches sur ces cavités laser et cherche à produire lapremière démonstration expérimentale. Nous développons un modèle de conceptionparamétrique, à très faible coût numérique, pour concevoir des structures MSC dans desdirections arbitraires. Pour cela nous établissons une équation d'autocollimation généralisée etétablissons dès le départ ses conditions de validité, tout en minimisant les pertes optiquesplanaires et hors du plan. Nous introduisons également une métrique qui permet de comparerla qualité de l'autocollimation entre différentes structures. Dans un deuxième temps, nousnous intéressons au développement d’un procédé de fabrication membranaire, dans la filièreIII-V, qui préserve le milieu actif et qui minimise les pertes optiques provenant des défauts defabrication. Notre point de départ est un procédé de fabrication mis au point en 2011 quiprésente des limitations notables. Certaines étapes de ce procédé sont incompatibles avec lestechnologies MOS et donc limitent leur utilisation dans des circuits intégrés. D’autres étapesintroduisent des défauts susceptibles de créer des sites de recombinaisons non radiatives quiaugmentent les pertes optiques. Les différentes étapes ont dont dues être améliorées ourepensées et l’ensemble du procédé a aussi dû être adapté aux nouvelles machines présentesen salle blanche, qui n’ont jamais été testées pour la fabrication des cristaux photoniques.

Photonic crystals are periodic structures that exhibit remarkable dispersive properties. They make it possible to manipulate, filter, guide, and shape light at the wavelength scale, paving the way for on-chip, hybrid, or integrated photonic engineering. Since the 1990s, research efforts have focused on exploiting bandgap openings in defect guides components to guide and confine light. In 1999 new effects were highlighted, based entirely on the dispersive properties of photonic crystals, allowing the design of optical multiplexers, ultra-selective filters, and self- collimation guides. Self-collimation exploits the dispersive properties of the crystal, to contain the transverse spread of a beam and ensures "self-guided" propagation. This occurs in the absence of cross-talking between two beams propagating in the crystal, which makes it possible to design multi-channel photonic interconnections. This guiding occurs at any point in the crystal, it is not necessary to superimpose an incident beam with a defect or an index contrast guide, which requires precise alignments with submicron tolerances. However, photonic crystals show planar losses at interfaces, which complicates the injection and extraction of light, and the high air filling factor of the medium does not allow to combine self-collimation with other phenomena such as laser effect. From the year 2012 a new effect has been put forward: mesoscopic self-collimation (MSC), which makes it possible to guide light in a medium alternating photonic crystal and homogeneous high index material, and to drastically improve the injection and extraction of light. This phenomenon can take place in arbitrary direction and under the light cone. In MSC laser cavities the homogeneous medium acts as an active medium, so a "self-guided" laser emission is obtained; then, by playing with the size of each medium, it is possible to design flat mirrors with high angular acceptance. We can obtain ultra-compact Fabry-Perot cavities. This thesis is part of the continuation of the research on these laser cavities and seeks to produce its first experimental demonstration. The laser effect is possible when the gain of the active medium compensates for optical losses. We seek to minimize optical losses and increase the gain of the homogeneous medium. We developpe a parametric design model, with very low numerical cost, to design MSC structures in arbitrary directions, while minimizing planar and out-of-plane optical losses. Then, by ensuring lossless energy propagation, MSC conditions are simple to achieve. In a second step, we are interested in the development of a membrane manufacturing process, in the III-V sector, which preserves the active environment and minimizes optical losses from manufacturing defects. Our starting point is a manufacturing process developed in 2011 that has significant limitations. Some steps in this process are incompatible with MOS technologies and therefore limit their use for integrated circuits. Other steps introduce defects that can create non-radiative recombination sites that increase optical loss. The various steps had to be improved or redesigned and the entire process also had to be adapted to the new machines present in the clean room, which have never been tested for the manufacture of photonic crystals., Les cristaux photoniques sont des structures périodiques qui présentent des propriétés dispersives remarquables. Elles permettent de manipuler, filtrer, guider et façonner la lumière à l'échelle de la longueur d'onde, ouvrant la voie à l'ingénierie photonique sur puce, hybride ou intégrée. Depuis les années 1990, les efforts de recherche se focalisent sur l'exploitation des ouvertures de bandes interdites dans les composants à défauts, pour guider et confiner la lumière. En 1999 de nouveaux effets ont été mis en évidence, reposant entièrement sur les propriétés dispersives des cristaux photoniques, permettant la conception des multiplexeurs optiques et des filtres ultra-sélectifs et des guides à autocollimation. L'autocollimation exploite les propriétés dispersives du cristal pour contenir l'étalement transverse d'un faisceau et assurer une propagation "auto-guidée". Ceci se produit en absence de diaphonie (ou "cross-talking") entre deux faisceaux se propageant dans le cristal, ce qui permet de concevoir des interconnections photoniques multi-canaux. Ce guidage se produit en tout point du milieu, il n'est pas nécessaire de superposer un faisceau incident avec un défaut ou un guide à contraste d'indice, ce qui exige des alignements précis avec des tolérances submicroniques. Cependant, les cristaux photoniques présentent des pertes planaires aux interfaces, ce qui complique l'injection et l'extraction de lumière et le fort facteur de remplissage en air du milieu ne permet pas de combiner l'autocollimation à d'autres phénomènes tel que l'effet laser. A partir de l'année 2012 un nouvel effet a été mis en avance : l'autocollimation mésoscopique (MSC), qui permet de guider la lumière dans un milieu alternant cristal photonique et matériau homogène haut indice et d'améliorer drastiquement l'injection et l'extraction de lumière. Ce phénomène a lieu suivant des direction arbitraires et parfois sous le cône de lumière. Dans les cavités lasers à MSC le milieu homogène agit en tant que milieu actif, on obtient donc une émission laser "auto-guidé" ; puis, en jouant avec la taille de chaque milieu, il est possible de concevoir des miroirs plans à haute acceptance angulaire. Nous obtenons donc des cavités Fabry-Pérot ultracompactes. Cette thèse s'inscrit sur la suite des recherches sur ces cavités laser et cherche à produire la première démonstration expérimentale. Nous développons un modèle de conception paramétrique, à très faible coût numérique, pour concevoir des structures MSC dans des directions arbitraires. Pour cela nous établissons une équation d'autocollimation généralisée et établissons dès le départ ses conditions de validité, tout en minimisant les pertes optiques planaires et hors du plan. Nous introduisons également une métrique qui permet de comparer la qualité de l'autocollimation entre différentes structures. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons au développement d'un procédé de fabrication membranaire, dans la filière III-V, qui préserve le milieu actif et qui minimise les pertes optiques provenant des défauts de fabrication.[...]

Inspired from the Origami art of folding, the rolled-up nanotechnology has proved to be a competitive alternative toward the production of 3D microstructures through the self-rolling of pre-stressed membranes. This technique has enriched the palette of existing 3D microstructures, proposing unconventional geometries (tubes, coils) accessible with a large range of materials. Based on the stress-engineering method, a high degree of control over the size and geometry of the structures can be achieved, making them suitable in a wide range of applications. Among the variety of 3D architectures, rolled-up tubular microcavities have drawn great interest for optofluidic applications by combining their microchannel geometry and particular optical properties of the tube to produce highly sensitive fluid sensors.Applying the stress-engineering method to fold more complex surfaces such as photonic nanostructured membranes generates a new class of 3D photonic micro-objects with original designs and tailored optical properties. Micrometer-sized patterning provides additional degrees of freedom with the modification of the dispersion of the planar membrane, leading to various optical functionalities including the guiding, the trapping, or the slowing of light. In particular, the combination between photonic crystal patterns and 3D rolled-up geometries offers new strategies for the management of light.In this thesis, we propose the conception and characterization of “photon cages” based on the rolling of highly reflective 2D photonic crystal membranes. The reflecting walls allow to trap efficiently the light in the hollow low-index core, optimizing the overlap between the localized electromagnetic field and the surrounding medium, a keystone in sensing operations. Parameters of the photonic crystal membrane were adjusted to obtain an efficient reflector (reflectivity R>95%) over a large spectral range (>100 nm) in near infrared domain. The cylindrical cavity resonator model and FDTD simulations were used to predict the optical response of the rolled-up membrane. Tubular cavities were then fabricated using stress engineering technique. Near-field optical measurements were carried out to investigate the modes in the hollow of the cavity, revealing the presence of cavity modes in compliance with theoretical computations, and bringing an experimental validation to the photon cage concept.In this work, we also exploit the rolled-up nanotechnology to extend the analogy between solid-state and photonic structures toward the fabrication and characterization of photonic crystal analogues of carbon nanotubes. Numerical simulations were performed to design graphene-like photonic structures with a Dirac point centred at 1.55 µm. Numerical calculations of the topological invariant and the band structure of graphene-like photonic ribbons with zig-zag edge shape demonstrated the existence of topological edge states. We calculated the optical dispersion of photonic microtubes in accordance with zone-folding predictions. We report highly reproducible fabrication of photonic nanotubes with honeycomb pattern. Preliminary angular-resolved spectral measurements of the structures have revealed dispersive features of the membrane wall but no signature of the microtube yet., Inspirée de l'art du pliage papier Origami, la technique de nano-fabrication par enroulement s'est avérée être une alternative compétitive à la production de microstructures 3D par l'auto-enroulement de nano-membranes précontraintes. Cette technique a enrichi la palette existante de microstructures 3D, en proposant des géométries originales (tubes, spirales) accessibles suivant une large gamme de matériaux. Basée sur la méthode d'ingénierie des contraintes, cette technique permet aussi un contrôle très précis sur la taille et la géométrie des structures 3D obtenues, les rendant ainsi adaptées à un large éventail d'applications. Parmi les architectures 3D réalisables, les microcavités tubulaires obtenues par enroulement ont suscité un grand intérêt pour les applications opto-fluidiques en combinant leur géométrie de microcanaux et les propriétés optiques particulières du tube pour produire des capteurs de fluide très sensibles.La méthode d'ingénierie des contraintes appliquée au pliage de surfaces plus complexes telles que des membranes photoniques nano-structurées forme une nouvelle classe de micro-objets photoniques 3D avec des formes et des propriétés originales. La structuration de taille micrométrique offre des degrés de liberté supplémentaires avec la modification de la dispersion de la membrane plane, conduisant à diverses fonctionnalités optiques dont le guidage, le piégeage ou le ralentissement de la lumière. En particulier, l’association de motifs de cristal photonique avec des géométries enroulées 3D offre de nouvelles stratégies pour la gestion de la lumière. Dans cette thèse, nous proposons la conception et la caractérisation de « cages à photons » basées sur l’enroulement de membranes à cristaux photoniques 2D hautement réfléchissantes. Les parois réfléchissantes permettent de piéger efficacement la lumière dans le noyau creux à faible indice, optimisant l’interaction entre le champ électromagnétique localisé et le milieu environnant, indispensable pour les applications de détection. Les paramètres de la membrane à cristal photonique ont été ajustés pour obtenir un réflecteur efficace (réflectivité R>95%) sur une large gamme spectrale (>100 nm) dans le domaine proche infrarouge. Le modèle de résonateur à cavité cylindrique et des simulations FDTD ont été utilisés pour prédire la réponse optique de la membrane enroulée. Les cavités tubulaires ont ensuite été fabriquées en utilisant la technique d'ingénierie des contraintes. Des mesures optiques en champ proche ont été réalisées pour étudier les modes à l’intérieur de la cavité, révélant la présence de modes de cavité en accord avec les calculs théoriques, et apportant une validation expérimentale au concept de cage à photons.Dans ce travail, nous exploitons également la nanotechnologie par enroulement pour étendre l'analogie entre les structures de la physique du solide et celles de la photonique à la fabrication et caractérisation d'analogues de nanotubes de carbone dans la classe des cristaux photoniques. Des simulations numériques ont été réalisées pour concevoir des structures photoniques de type graphène avec un point de Dirac centré à 1,55 µm. Des calculs numériques d’invariant topologique et de structure de bandes de rubans photoniques avec motif nid d’abeille et un bord en zigzag ont démontré l'existence d'états de bord topologiques. Nous avons calculé la dispersion optique des microtubes photoniques qui concorde avec les prédictions obtenues avec la méthode de repliement de zone. Nous rapportons la fabrication très reproductible de nanotubes photoniques avec motif en nid d'abeille. Des mesures spectrales et résolues en angle préliminaires des structures ont révélé des caractéristiques dispersives de la paroi de la membrane mais aucune signature du microtube pour le moment.

Nanomechanical systems are useful to inspect some fundamental aspects of physics such as the relations between the elastic, thermal and electromagnetic properties of solid-state objects. As many other nanometer scale systems, they are interestingly subjected to strong nonlinearities that can guide the emergence of ubiquitous phenomena - like synchronization and chaos – or be exploited for manipulating and processing information. Such nanomechanical systems can be put in interaction with an optical cavity or coupled to an electrostatic-actuator. These two approaches are embedded in the wide topic of electro-optomechanics. This work takes advantage of photonic crystal versatility to investigate the nonlinear optical and mechanical dynamics of such electro- or optomechanical systems under coherent modulation.The first experiments use a nanophotonic platform combining a suspended InP membrane and an underneath integrated silicon waveguide. The membrane is etched with a 2D photonic crystal embedding several evanescently coupled defect cavities. These latter constitute a photonic molecule whose electromagnetic eigenmodes can be driven with a laser, via the waveguide, thus enabling a sensitive access to the mechanical noise spectrum of the membrane. Using a coherent modulation of the input laser field, we show how the input modulation sidebands are transferred to the mechanical frequency domain via the optomechanical interactions. The presence of thermo-optic nonlinearities further leads to a desymmetrization of the noise spectrum features. The experiment is described theoretically via Floquet theory. Relying on thermo-optic bistability, a bistable photonic mode is finally used to amplify a small signal by vibrational resonance.In a second part, we study two mechanically coupled electro-optomechanical photonic crystal nanocavities. Here the system is probed via an optomechanical scheme and driven with an integrated electro-capacitive actuation to drive the system's mechanical normal modes. Under low-power drive, the system can be robustly studied and calibrated using simple model of coupled damping harmonic oscillators. The use of higher power excitation reveals the strong intrinsic nonlinearities of the system which can be modeled by two driven coupled Duffing oscillators. The use of coherent modulation of the input force now reveals interesting period-doubling cascade route to chaos dynamics. The simultaneous excitation of both normal modes in their nonlinear regime makes them couple such that synchronization can be studied. As chaotic system can be used to generate chaos, this bichromatic synchronized chaotic dynamics could be exploited in novel multispectral data encryption protocols.This work open the way toward the exploration of large optomechanical arrays, in which collective dynamics could be studied.; Les système nanomécaniques permettent d’explorer les relations physiques fondamentales entre les propriétés élastiques, thermiques and électromagnétiques des solides. Ils sont de surcroît souvent sujets à de fortes nonlinéarités – du fait de leurs dimensions nanométriques – ce qui les rend intéressants pour étudier des concepts fondamentaux tels que la synchronisation ou le chaos. Ces systèmes nanomécaniques peuvent être mis en interaction avec une cavité optiques ou couplés à des actuateurs électrostatiques. Ces deux approches sont étudiées dans le cadre de l’électro-optomécanique. Dans ce travail de thèse nous mettons à profit la versatilité des cristaux photoniques pour étudier la dynamique non linéaire optique et mécanique induite par la modulation cohérente de l’excitation de systèmes électromécaniques ou optomécaniques.Dans un premier temps nous utilisons une plateforme nanophotonique combinant une membrane d’InP suspendue au-dessus d’un guide de silicium intégré. La membrane comprend un cristal photonique bidimensionnel comprenant plusieurs cavités-défauts couplées entre elles par champ évanescent. Ces cavités constituent une molécule photonique dont les modes propres électromagnétiques peuvent être sondés par un laser, permettant ainsi d’accéder aux spectre de bruit mécanique de la membrane. L’utilisation d’une modulation cohérente du champ en entrée, nous démontrons le transfert du motif spectral depuis le domaine optique vers le domaine mécanique. La présence de nonlinéarités thermo-optiques dans le système mène à une désymétrization du spectre de bruit mécanique. L’expérience est décrite théoriquement par une approche de Floquet. Finalement, en se plaçant dans un régime de bistabilité thermo-optique, nous démontrons l’amplification d’un signal de faible amplitude dans un mode photonique par résonance vibrationnelle.Dans une seconde partie, nous étudions deux membranes à cristal photonique couplées entre elles mécaniquement. Le système est actué par un dispositif électro-capacitif et sondé par lecture optomécanique. Sous excitation suffisamment faible, le système peut être efficacement calibré au travers d’un modèle linéaire. Les fortes nonlinéarités mécaniques du système se manifestent lorsqu’une excitation plus forte est utilisée, ce qui est modélisé par un modèle impliquant deux oscillateurs de Duffing couplés et forcés. Cette fois l’utilisation d’une modulation cohérente de l’excitation induit une dynamique de route vers le chaos par doublement de périodes. L’excitation simultanée des deux modes normaux mécaniques dans leur régime non linéaire leur permet de se coupler de telle sortes que leur synchronisation en régime chaotique peut être étudiée. Le chaos pouvant être exploiter pour générer des nombres aléatoires, cette synchronisation chaotique bichromatique pourrait servir à développer de nouveaux protocoles de communication multi-spectrale.En perspective, ce travail ouvre la voie à l'étude de la dynamique collective dans de plus larges réseaux de systèmes optomécaniques.

Perovskite material has many advantages: excellent optoelectronic properties, low raw material costs and a wide range of deposition techniques. This makes it a promising candidate for photovoltaic applications. Perovskite solar cells have seen their efficiency increase from 6% to 25% in less than 10 years. However, the perovskites present a direct gap, and the absorption in this material drops suddenly when the wavelength passes above λgap. Using photonic crystals based on periodic structures allow, to improve the absorption around the gap of the material. The objective of this thesis is to study the integration of a photonic crystal in a perovskite solar cell.We have first optimized the perovskite deposition process in order to obtain a uniform and continuous layer. Then, we have carried out different imprint tests on the layers. This process, by applying a pressure, makes it possible to structure a material according to the inverted shape of a mold. Two types of imprint have been studied and optimized: flat compression, which, using a flat mold, makes the perovskite less rough and allows to obtain a better crystallization; and nanoimprint, using a nano-structured mold. An increase in grain size compared to simple annealing of perovskite without imprint has also been noticed. For nanoimprint, we have tested and optimized the impact of pressure and temperature on the perovskite structuration. After development and optimization of this technique on perovskite, we have shown that it is applicable to a wide range of molds, with patterns of different sizes and dimensions. We were able to make a photonic crystal in the perovskite layer to improve its absorption. Finally, we have realized solar cells using the imprint process (flat compression and nanoimprint) applied on the perovskite layer. By obtaining a conversion efficiency for the two types of cells, we have demonstrated the feasibility of such cells.; Le matériau pérovskite présente de nombreux avantages : excellentes propriétés optoélectroniques, faibles coûts des matières premières et vaste éventail de techniques de dépôt. Ceci en fait un candidat prometteur pour les applications photovoltaïques. Les cellules solaires en pérovskite ont ainsi vu leurs rendements de conversion progresser de 6 % à 25 % en moins de 10 ans. Cependant les pérovskites présentent un gap direct, et leur absorption chute brusquement lorsque la longueur d’onde passe au-dessus de λgap. Les cristaux photoniques sont des structures périodiques permettant, en fonction de leurs paramètres, d’améliorer l’absorption aux alentours du gap du matériau. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier l’intégration d’un cristal photonique dans une cellule solaire pérovskite. Nous avons dans un premier temps optimisé le dépôt de pérovskite pour obtenir une couche uniforme et continue. Nous avons ensuite réalisé différentes étapes d’impression sur les couches. Ce procédé, grâce à l’application d’une pression, permet de structurer un matériau suivant la forme inversée d’un moule. Deux types d’impression ont été étudiés et optimisés : la compression plane, permet d’aplanir la pérovskite et d’obtenir une couche de très faible rugosité tout en améliorant la cristallisation de la pérovskite ; la nanoimpression, qui s’effectue avec un moule structuré. Les paramètres des deux procédés ont été optimisés, nous avons démontré qu’elle est applicable à une large gamme de moules, avec des motifs de tailles et de dimensions différentes. Nous avons pu réaliser un cristal photonique dans la couche de pérovskite permettant d’améliorer l’absorption de celle-ci. Finalement, nous avons réalisé des cellules solaires en utilisant le procédé d’impression (compression plan et nanoimpression) sur la couche de pérovskite. En obtenant un rendement de conversion pour les deux types de cellules, nous avons montré la faisabilité de telles cellules.

Research in the field of synthetic photonic crystals has been advancing at high speed. In thedevelopment of this field, additional performances in terms of modularity and switchabilityusing soft matter and polymers provide unprecedented enhanced devices. In this thesis, wedeveloped a platform of stimuli-responsive nano- and microstructured polymer hydrogelsthat are surface-grafted to ensure chemical stability regardless of environmental change.This strategy is based on CLAG chemistry which consists in simultaneous Cross-Linking AndGrafting of polymer chains on the substrate. This platform is exploited to fabricate stimulableBragg mirrors with large amplitude of spectral shift. We also developed a strategy allowingus to design two-dimensional photonic cristals by using photolithographic masks. Finally, wedemonstrated that the hydrogel platform allows the coupling of temperature with otherstimuli: chemical, mechanical, light and electromagnetic field for plasmonic and magnetichyperthermia.; La recherche dans le domaine des cristaux photoniques synthétiques progresse à grande vitesse. En parallèle, les progrès réalisés dans le domaine de la matière molle et des polymères permettent également des avancées considérables pour des dispositifs stimulables. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé une plateforme permettant désynthétiser des nano- et microstructures d'hydrogel stimulables stables et à grandes amplitudes de déformation. Pour ce faire, nous avons utilisé la méthode CLAG (Cross-LinkingAnd Grafting) qui consiste en la réticulation et le greffage simultanés de chaînes de polymère sur le substrat. Nous avons exploité cette plateforme pour mettre au point des miroirs de Bragg stimulables à grande amplitude de décalage spectral, avec des multicouches alternéesd’hydrogels et des couches d’or ou d’oxyde de titane Nous avons également développé des cristaux photoniques bidimensionnels en utilisant des masques photolithographiques. De plus, l’hyperthermie plasmonique ou magnétique est envisagée pour induire la transition des films d’hydrogel. Enfin, nous avons montré que la plateforme d’hydrogels permet également de coupler la température avec d’autres stimuli: chimiques, mécaniques.

This thesis investigated several approaches in order to improve the fundamental understanding of the electron transfer between quantum dots, metallic nanoparticles and large band semiconductors, through light trapping mechanisms in photonic architectures and plasmonic structures. Enhancement in light energy conversion in titanium dioxide (TiO2) photonic crystals relative to nanocrystalline TiO2 sensitized with Q-CdTe was investigated. In particular, additional gain due to the growth of type II QCdTe/CdSe was observed in selenide electrolyte. As an alternative approach, gold nanoparticules made by physical vapor deposition (PVD) and thermal annealing were coupled to a thin layer of TiO2. Photoelectrochemical measurements showed a decrease in the photocurrent generation from titanium dioxide under UV excitation. To understand this behavior, further studies were performed by coupling different sizes of gold nanoparticles with ZnO nanocrystals as a UV photocatalyst. This coupling achieved a photoluminescence enhancement and affected the photocatalytic degradation of methylene blue, depending on the size and loading quantity of gold nanoparticles. Finally, aluminum nanoparticles done by PVD and thermal annealing under controlled atmosphere were coupled to TiO2 thin film and their photocatalytic activity was investigated. Enhancement of the catalytic activity was observed due a resonant coupling between aluminum nanoparticles and TiO2 under UV excitation.; Le but de cette thèse a été de développer plusieurs approches pour améliorer la compréhension du processus de transfert d’électrons au sein de semi-conducteurs structurés ou pas et couplés à des boites quantiques ou à des nanostructures plasmoniques résonnantes dans l’UV-Visible. La conversion de l'énergie lumineuse dans des cristaux photoniques à base de TiO2 et en présence de boites quantiques de type CdTe a été explorée. En particulier, une amélioration significative du photocourant a été observée grâce notamment à la formation d’une coquille en CdSe qui améliore la stabilité photochimique du CdTe. Parallèlement, des nanoparticules d’or (NPOs) ont été fabriquées par dépôt physique en phase vapeur (DPV) sur un nanofilm de TiO2 cristallin. L'incorporation des NPOs a diminué la génération de photocourant par le TiO2 sous irradiation UV. Pour tenter de comprendre ce comportement, d'autres études ont été effectuées en couplant différentes tailles de NPOs avec des nanocristaux de ZnO. Des effets d’exaltation de la photoluminescence et d’inhibition de la photocatalyse ont été observés en fonction de la taille et de la quantité de NPOs introduites. Finalement, des NPs d’aluminium ont été synthétisées par DPV suivi d’un recuit thermique dans une atmosphère contrôlée. Ces NPs ont été couplées à un nanofilm de TiO2 avant d’étudier la performance catalytique du système hybride sous lumière UV, en présence du bleu de méthylène. Le couplage résonnant au sein du matériau hybride Al/TiO2 a permis notamment d’améliorer le taux de dégradation du bleu de méthylène sous excitation UV.

Research in the field of synthetic photonic crystals has been advancing at high speed. In thedevelopment of this field, additional performances in terms of modularity and switchabilityusing soft matter and polymers provide unprecedented enhanced devices. In this thesis, wedeveloped a platform of stimuli-responsive nano- and microstructured polymer hydrogelsthat are surface-grafted to ensure chemical stability regardless of environmental change.This strategy is based on CLAG chemistry which consists in simultaneous Cross-Linking AndGrafting of polymer chains on the substrate. This platform is exploited to fabricate stimulableBragg mirrors with large amplitude of spectral shift. We also developed a strategy allowingus to design two-dimensional photonic cristals by using photolithographic masks. Finally, wedemonstrated that the hydrogel platform allows the coupling of temperature with otherstimuli: chemical, mechanical, light and electromagnetic field for plasmonic and magnetichyperthermia., La recherche dans le domaine des cristaux photoniques synthétiques progresse à grande vitesse. En parallèle, les progrès réalisés dans le domaine de la matière molle et des polymères permettent également des avancées considérables pour des dispositifs stimulables. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé une plateforme permettant désynthétiser des nano- et microstructures d'hydrogel stimulables stables et à grandes amplitudes de déformation. Pour ce faire, nous avons utilisé la méthode CLAG (Cross-LinkingAnd Grafting) qui consiste en la réticulation et le greffage simultanés de chaînes de polymère sur le substrat. Nous avons exploité cette plateforme pour mettre au point des miroirs de Bragg stimulables à grande amplitude de décalage spectral, avec des multicouches alternéesd’hydrogels et des couches d’or ou d’oxyde de titane Nous avons également développé des cristaux photoniques bidimensionnels en utilisant des masques photolithographiques. De plus, l’hyperthermie plasmonique ou magnétique est envisagée pour induire la transition des films d’hydrogel. Enfin, nous avons montré que la plateforme d’hydrogels permet également de coupler la température avec d’autres stimuli: chimiques, mécaniques.

With the development of cloud computing and video streaming, the amount of data transmitted across the Internet has skyrocketed during the last decade. It now represents between 6 % and 10 % of the global energy consumption, and is expected to keep rising with the emergence of Internet of Things applications. However, the limits of the current infrastructure are already becoming apparent. Integrated photonics has brought new concepts to overcome the limitation of electronics such as all-optical signal processing or optical interconnects. In particular, silicon photonics has enabled the realisation of photonic integrated circuits able to perform these complex tasks on a chip and compete with their electronic counterparts. Moreover, integrated designs benefit from better robustness, stability and compactness as well as a reduced energy consumption. Integrated light sources have been developed to drive these photonic integrated circuits. Integrated mode-locked lasers are especially interesting since they provide both a regular pulse train and a stable mode comb. These lasers rely on the combination of a multimode laser and a saturable absorber to phase-lock the modes of the cavity. Despite some progress towards their integration on a chip, their size is still in the millimetre to the centimetre range. Since the quality of the generated pulse train is related to the effective length of the cavity, which is the product of the group index of the guided mode and the actual length of the cavity, their miniaturisation remains a challenge.In this PhD work, a novel design based on the use of slow-light (high ng) in photonic crystals to achieve further miniaturisation of integrated mode-locked lasers is studied. Indeed, slow light allows us to keep the effective length of the cavity high in a compact design with group indices one order of magnitude higher than in standard cavities. In order to reach mode-locking, a wide regular mode comb must be present in the cavity spectrum. Nonetheless, the strong dispersion of slow light modes in photonic crystals limits the spectral width of the regular mode comb. Using dispersion engineering, the bandwidth of the mode comb can be drastically improved. Photonic crystal cavities exploiting dispersion-engineered slow light in active III-V materials on silica were designed using numerical simulations, then fabricated and characterised to demonstrate the validity of this approach and study its potential limitations. We show that in spite of the effect of fabrication-induced disorder, regular mode combs can be generated in cavities as long as 45,5 µm with a group index around 30. These cavities may allow for an 8-fold size reduction of mode-locked lasers compared to standard waveguide designs. In the future, a saturable absorber such as graphene could be introduced onto the cavities in order to achieve mode-locking., Le trafic internet a connu un accroissement sans précédent au cours de la dernière décennie avec l’essor du cloud computing et de la diffusion de flux vidéo, à tel point que le secteur des télécommunications représente aujourd’hui entre 6 % et 10 % de la consommation énergétique mondiale. Tandis que cette croissance doit continuer de s’accélérer avec le développement des objets connectés, les limites de l’infrastructure actuelle commencent à apparaître.La photonique intégrée propose de répondre à ces problèmes à l’aide du traitement tout optique de l’information et des interconnexions optiques. Le développement de la photonique sur silicium a permis la conception de circuits photoniques intégrés capables de réaliser ces fonctions complexes sur puce. L’intégration apporte également ses propres avantages, tels qu’une robustesse, une stabilité et une compacité accrues, ainsi qu’une consommation d’énergie réduite. Pour alimenter ces circuits photoniques, des sources intégrées compactes ont vu le jour. En particulier, les lasers à blocage de modes intégrés permettent de générer à la fois un train d’impulsion régulier et un peigne de modes stable. Ces composants exploitent la combinaison d’un laser multimode et d’un absorbant saturable pour mettre en phase les modes de la cavité. Si de tels lasers sur puce ont été mis au point, ils restent toutefois relativement longs (de l’ordre du millimètre, voire du centimètre), et leur miniaturisation est complexe, car la longueur effective de la cavité, égale au produit de l’indice de groupe et de la longueur de la cavité joue un rôle primordial dans la qualité du train d’impulsions généré.Dans cette thèse, une approche basée sur l’utilisation de la lumière lente est développée pour permettre la réalisation de lasers pulsés compacts et intégrés sur puce. La lumière lente (fort indice de groupe) permet en effet de conserver une grande longueur effective dans une cavité compacte. Ce ralentissement de la lumière peut être généré à l’aide des cristaux photoniques. Pour atteindre le régime de blocage de modes, le spectre de la cavité associée doit également présenter un peigne de modes équidistant, ce qui est difficile à obtenir à cause de la dispersion typiquement très élevée des modes lents. Grâce à l’ingénierie de dispersion dans les cristaux photoniques, une bande linéaire à faible vitesse de groupe peut être créée pour obtenir un peigne de modes équidistants sur une grande largeur spectrale. Des cavités optimisées alliant lumière lente, ingénierie de dispersion, et matériaux III-V reportés sur silice ont été conçues par simulations numériques, puis fabriquées et caractérisées pour étudier la viabilité de cette approche et ses limites. Les mesures montrent que malgré les effets du désordre induit par la fabrication dans le cristal photonique, des cavités laser multimodes de 45,5 µm de longueur et d’indice de groupe de l’ordre de 30 sont réalisables. Ces cavités peuvent prétendre à une réduction de longueur d’un facteur 8 par rapport à leurs équivalents basés sur des guides standards. Enfin, la géométrie de ces cavités est compatible avec le transfert d’un absorbant saturable tel que le graphène pour atteindre, dans le futur, le régime de blocage de modes.

With the development of cloud computing and video streaming, the amount of data transmitted across the Internet has skyrocketed during the last decade. It now represents between 6 % and 10 % of the global energy consumption, and is expected to keep rising with the emergence of Internet of Things applications. However, the limits of the current infrastructure are already becoming apparent. Integrated photonics has brought new concepts to overcome the limitation of electronics such as all-optical signal processing or optical interconnects. In particular, silicon photonics has enabled the realisation of photonic integrated circuits able to perform these complex tasks on a chip and compete with their electronic counterparts. Moreover, integrated designs benefit from better robustness, stability and compactness as well as a reduced energy consumption. Integrated light sources have been developed to drive these photonic integrated circuits. Integrated mode-locked lasers are especially interesting since they provide both a regular pulse train and a stable mode comb. These lasers rely on the combination of a multimode laser and a saturable absorber to phase-lock the modes of the cavity. Despite some progress towards their integration on a chip, their size is still in the millimetre to the centimetre range. Since the quality of the generated pulse train is related to the effective length of the cavity, which is the product of the group index of the guided mode and the actual length of the cavity, their miniaturisation remains a challenge.In this PhD work, a novel design based on the use of slow-light (high ng) in photonic crystals to achieve further miniaturisation of integrated mode-locked lasers is studied. Indeed, slow light allows us to keep the effective length of the cavity high in a compact design with group indices one order of magnitude higher than in standard cavities. In order to reach mode-locking, a wide regular mode comb must be present in the cavity spectrum. Nonetheless, the strong dispersion of slow light modes in photonic crystals limits the spectral width of the regular mode comb. Using dispersion engineering, the bandwidth of the mode comb can be drastically improved. Photonic crystal cavities exploiting dispersion-engineered slow light in active III-V materials on silica were designed using numerical simulations, then fabricated and characterised to demonstrate the validity of this approach and study its potential limitations. We show that in spite of the effect of fabrication-induced disorder, regular mode combs can be generated in cavities as long as 45,5 µm with a group index around 30. These cavities may allow for an 8-fold size reduction of mode-locked lasers compared to standard waveguide designs. In the future, a saturable absorber such as graphene could be introduced onto the cavities in order to achieve mode-locking.; Le trafic internet a connu un accroissement sans précédent au cours de la dernière décennie avec l’essor du cloud computing et de la diffusion de flux vidéo, à tel point que le secteur des télécommunications représente aujourd’hui entre 6 % et 10 % de la consommation énergétique mondiale. Tandis que cette croissance doit continuer de s’accélérer avec le développement des objets connectés, les limites de l’infrastructure actuelle commencent à apparaître.La photonique intégrée propose de répondre à ces problèmes à l’aide du traitement tout optique de l’information et des interconnexions optiques. Le développement de la photonique sur silicium a permis la conception de circuits photoniques intégrés capables de réaliser ces fonctions complexes sur puce. L’intégration apporte également ses propres avantages, tels qu’une robustesse, une stabilité et une compacité accrues, ainsi qu’une consommation d’énergie réduite. Pour alimenter ces circuits photoniques, des sources intégrées compactes ont vu le jour. En particulier, les lasers à blocage de modes intégrés permettent de générer à la fois un train d’impulsion régulier et un peigne de modes stable. Ces composants exploitent la combinaison d’un laser multimode et d’un absorbant saturable pour mettre en phase les modes de la cavité. Si de tels lasers sur puce ont été mis au point, ils restent toutefois relativement longs (de l’ordre du millimètre, voire du centimètre), et leur miniaturisation est complexe, car la longueur effective de la cavité, égale au produit de l’indice de groupe et de la longueur de la cavité joue un rôle primordial dans la qualité du train d’impulsions généré.Dans cette thèse, une approche basée sur l’utilisation de la lumière lente est développée pour permettre la réalisation de lasers pulsés compacts et intégrés sur puce. La lumière lente (fort indice de groupe) permet en effet de conserver une grande longueur effective dans une cavité compacte. Ce ralentissement de la lumière peut être généré à l’aide des cristaux photoniques. Pour atteindre le régime de blocage de modes, le spectre de la cavité associée doit également présenter un peigne de modes équidistant, ce qui est difficile à obtenir à cause de la dispersion typiquement très élevée des modes lents. Grâce à l’ingénierie de dispersion dans les cristaux photoniques, une bande linéaire à faible vitesse de groupe peut être créée pour obtenir un peigne de modes équidistants sur une grande largeur spectrale. Des cavités optimisées alliant lumière lente, ingénierie de dispersion, et matériaux III-V reportés sur silice ont été conçues par simulations numériques, puis fabriquées et caractérisées pour étudier la viabilité de cette approche et ses limites. Les mesures montrent que malgré les effets du désordre induit par la fabrication dans le cristal photonique, des cavités laser multimodes de 45,5 µm de longueur et d’indice de groupe de l’ordre de 30 sont réalisables. Ces cavités peuvent prétendre à une réduction de longueur d’un facteur 8 par rapport à leurs équivalents basés sur des guides standards. Enfin, la géométrie de ces cavités est compatible avec le transfert d’un absorbant saturable tel que le graphène pour atteindre, dans le futur, le régime de blocage de modes.

In this thesis, a study of periodic microstructures and their applications to optical modulation by acoustical waves is presented. More specifically, it deals with opto-mechanical coupling in phoXonic crystal cavities. This study shows how the perturbation theory provides an efficient tool to analyse and predict the behaviour of modulation in such structures. Moreover, when compared to pure numerical ones, this method leads to calculation time saving. The theory of periodic media is first introduced and then we derive the parameters for the simultaneous existence of photonic and phononic bandgaps. We end up by the development of a semi-analytical method to analyze acousto-optical coupling efficiency in artificial periodic structures. The perturbation theory is developed up to 2nd order and is used together with symmetry considerations for interpretations. An illustration of the versatility of the developed method is presented using an L1 point defect cavity on silicon substrate and validated with classical numerical results., Dans cette thèse, une étude des microstructures périodiques et de leurs applications à la modulation optique par ondes acoustiques est présentée. Plus spécifiquement, le sujet traite du couplage opto-mécanique dans les cavités des cristaux phoXoniques. Cette étude montre comment la théorie des perturbations fournit un outil efficace d’analyse et de prédiction du comportement de la modulation dans de telles structures. Cette méthode permet également d’économiser du temps de calcul en comparaison aux calculs numériques purs. L'étude théorique de la propagation des ondes dans les milieux périodiques est d'abord introduite, puis les paramètres de l'existence simultanée des bandes interdites photoniques et phononiques sont déduites. Le développement d’une méthode semi-analytique ayant pour but d’analyser l'efficacité du couplage acousto-optique dans les structures périodiques artificielles est ensuite réalisé. La théorie des perturbations est développée jusqu'au 2ème ordre. Celle-ci, associée à des considérations de symétrie, est utilisée pour l'interprétation des résultats. Une illustration de la versatilité de la méthode, basée d'une cavité ponctuelle L1 sur substrat silicium, est présentée. Les résultats obtenus sont en accord avec ceux donnés par une méthode purement numérique.

National audience; This document presents the research and teaching in both coherent control and ultrashort laser pulse shaping and in sub-wavelength structuring for photonics integration.; Ce document retrace les activités de recherche et d'enseignements menées dans le domaine du contrôle cohérent et du façonnage d'impulsions laser, ainsi que dans le domaine des structures sub-longueur d'onde pour l'intégration photonique.

Over the last years, the research on the label-free biosensor topic has experienced a very rapid growth because of the need to develop high-performing methods to detect and measure low concentrations of specific molecules in various fields. Among all the methods proposed, photonic crystals (PhC) structures offers a good alternative due to their sensitivity. Moreover, the use of diamond as material make the proposed device more attractive due to its optical properties, high chemical stability and efficiency of surface functionalization. In this context, this PhD thesis propose a new design of optical bio-sensor based on diamond two-dimensional photonic crystals, working at the wavelength near 800 nm.An original geometry of circular air holes arranged in squared lattice was chosen in order to maximize the sensitivity of such photonic structures to refractive index changes on their surface. It was analytically proven that modes with low group velocity are more sensitive to these variations. Numerical methods gave the necessary information to determine the optimal geometrical parameters of the PhC. The proposed design is based on measuring the shift of the angular reflectivity of a low group velocity guided mode resonance (GMR) PhC when probed with a single frequency light.Polycrystalline diamond films were grown on two different substrates, with thicknesses ranging from a few hundreds of nanometers to several micrometers. The technological processes required for the realization of PhC on polycrustalline diamond were developed or optimized, such as surface planarization by inductively coupled plasma (ICP) dry etching, diamond film transfer onto new substrate by wafer bonding process, diamond films thinning and surface patterning with PhC using Electronic Beam Lithography (EBL) and ICP methods.The samples realized in clean-room facilities were optically measured and the theoretical assumptions were validated. A GMR with a c/100 group velocity at a wavelength of 800 nm was measured and its sensitivity is estimated to be in the order of 500 degrees/ refractive index unit (°/RIU), a value that is one order of magnitude higher than the typical values encountered for sensors based on 2D PhC. These results represents a first step towards a highly sensitive bio-sensor, including a diamond surface functionalization for specific target recognition.; Au cours des dernières années, la recherche dans le domaine des bio-capteurs optiques sans marquage a connu une croissance rapide du fait de la nécessité de développer des méthodes toujours plus performantes pour la détection et la mesure de faibles concentrations de molécules spécifiques dans divers domaines. Parmi les différentes méthodes optiques existantes, les cristaux photoniques (CP) offrent une alternative prometteuse du fait de leur sensibilité. D’autre part, le diamant, utilisé comme matériau pour la réalisation de ces dispositifs offre de bonnes propriétés optiques et la possibilité de réaliser une fonctionnalisation de surface efficace facilement. Dans ce contexte, cette thèse propose un nouveau design de bio-capteur optique à cristaux photonique bi-dimensionnel en diamant, fonctionnant à des longueurs d'onde proche de 800 nm.Une géométrie originale de trous d'air circulaires organisés selon une maille carrée a été choisie pour maximiser la sensibilité du bio-capteur à des changements d'indice de réfraction en leur surface. Il a été démontré analytiquement que les modes à faible vitesse de groupe avaient une plus grande sensibilité à ces changements. Des méthodes numériques ont permis de préciser les paramètres géométriques optimaux du CP. Le design proposé est basé sur la mesure de décalage angulaire dans le spectre en réflexion d'un mode lent résonant du CP quand celui-ci est éclairé par une lumière monochromatique.Des films de diamant polycristallin de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres d’épaisseur ont été déposés sur différents substrats. L’ensemble des procédés technologiques nécessaires à la réalisation des CP et spécifiques aux films de diamant polycristallin ont été développés ou optimisés, comme, entre autre, un procédé de lissage obtenu par gravure plasma, un procédé de transfert de films de diamant sur un autre substrat par collage, un procédé d’amincissement des films de diamant et la fabrication des CP par lithographie électronique et gravure plasma.Les échantillons réalisés dans la salle blanche du C2N ont été mesurés optiquement et les hypothèses théoriques concernant les performances du capteur ont étés validées. Un mode avec une vitesse de groupe c/100 à une longueur d'onde de 800 nm a été mesuré et la sensibilité correspondant a cette structure a été estimée à 500 degrés par unité d'indice de réfraction (°/RIU), une valeur supérieure d’un ordre de grandeur à celles rencontrées couramment dans les capteurs à CP bidimensionnels. Ces résultats représentent un premier pas vers un biocapteur hautement sensible, comprenant une fonctionnalisation de surface du diamant pour une reconnaissance de cible spécifique.

Over the last years, the research on the label-free biosensor topic has experienced a very rapid growth because of the need to develop high-performing methods to detect and measure low concentrations of specific molecules in various fields. Among all the methods proposed, photonic crystals (PhC) structures offers a good alternative due to their sensitivity. Moreover, the use of diamond as material make the proposed device more attractive due to its optical properties, high chemical stability and efficiency of surface functionalization. In this context, this PhD thesis propose a new design of optical bio-sensor based on diamond two-dimensional photonic crystals, working at the wavelength near 800 nm.An original geometry of circular air holes arranged in squared lattice was chosen in order to maximize the sensitivity of such photonic structures to refractive index changes on their surface. It was analytically proven that modes with low group velocity are more sensitive to these variations. Numerical methods gave the necessary information to determine the optimal geometrical parameters of the PhC. The proposed design is based on measuring the shift of the angular reflectivity of a low group velocity guided mode resonance (GMR) PhC when probed with a single frequency light.Polycrystalline diamond films were grown on two different substrates, with thicknesses ranging from a few hundreds of nanometers to several micrometers. The technological processes required for the realization of PhC on polycrustalline diamond were developed or optimized, such as surface planarization by inductively coupled plasma (ICP) dry etching, diamond film transfer onto new substrate by wafer bonding process, diamond films thinning and surface patterning with PhC using Electronic Beam Lithography (EBL) and ICP methods.The samples realized in clean-room facilities were optically measured and the theoretical assumptions were validated. A GMR with a c/100 group velocity at a wavelength of 800 nm was measured and its sensitivity is estimated to be in the order of 500 degrees/ refractive index unit (°/RIU), a value that is one order of magnitude higher than the typical values encountered for sensors based on 2D PhC. These results represents a first step towards a highly sensitive bio-sensor, including a diamond surface functionalization for specific target recognition.; Au cours des dernières années, la recherche dans le domaine des bio-capteurs optiques sans marquage a connu une croissance rapide du fait de la nécessité de développer des méthodes toujours plus performantes pour la détection et la mesure de faibles concentrations de molécules spécifiques dans divers domaines. Parmi les différentes méthodes optiques existantes, les cristaux photoniques (CP) offrent une alternative prometteuse du fait de leur sensibilité. D’autre part, le diamant, utilisé comme matériau pour la réalisation de ces dispositifs offre de bonnes propriétés optiques et la possibilité de réaliser une fonctionnalisation de surface efficace facilement. Dans ce contexte, cette thèse propose un nouveau design de bio-capteur optique à cristaux photonique bi-dimensionnel en diamant, fonctionnant à des longueurs d'onde proche de 800 nm.Une géométrie originale de trous d'air circulaires organisés selon une maille carrée a été choisie pour maximiser la sensibilité du bio-capteur à des changements d'indice de réfraction en leur surface. Il a été démontré analytiquement que les modes à faible vitesse de groupe avaient une plus grande sensibilité à ces changements. Des méthodes numériques ont permis de préciser les paramètres géométriques optimaux du CP. Le design proposé est basé sur la mesure de décalage angulaire dans le spectre en réflexion d'un mode lent résonant du CP quand celui-ci est éclairé par une lumière monochromatique.Des films de diamant polycristallin de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres d’épaisseur ont été déposés sur différents substrats. L’ensemble des procédés technologiques nécessaires à la réalisation des CP et spécifiques aux films de diamant polycristallin ont été développés ou optimisés, comme, entre autre, un procédé de lissage obtenu par gravure plasma, un procédé de transfert de films de diamant sur un autre substrat par collage, un procédé d’amincissement des films de diamant et la fabrication des CP par lithographie électronique et gravure plasma.Les échantillons réalisés dans la salle blanche du C2N ont été mesurés optiquement et les hypothèses théoriques concernant les performances du capteur ont étés validées. Un mode avec une vitesse de groupe c/100 à une longueur d'onde de 800 nm a été mesuré et la sensibilité correspondant a cette structure a été estimée à 500 degrés par unité d'indice de réfraction (°/RIU), une valeur supérieure d’un ordre de grandeur à celles rencontrées couramment dans les capteurs à CP bidimensionnels. Ces résultats représentent un premier pas vers un biocapteur hautement sensible, comprenant une fonctionnalisation de surface du diamant pour une reconnaissance de cible spécifique.

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.

The miniaturisation of optical trapping systems allows the manipulation and analysis of nano and micron sized objects. These objects can be inert (silica or polystyrene beads, carbon nanotubes) or biological (viruses, bacteria, cells). Integrated trapping devices on chips have the advantage of handling single objects reversibly and at very low power. This makes them very suitable for the study of biological objects, often more fragile and traditionally studied at the population level in microbiology methods. This work deals with the study of different bacteria trapped on 1D and 2D photonic crystals. We first demonstrate the trapping of seven bacterial species: E. coli, B. subtilis, S. epidermidis, Y. ruckeri, N. sicca, P. putida and L. innocua. . We describe a spatial and temporal characterisation methods developed to extract information from this trapping on the size, shape, motility and membrane structure of bacteria. A trapping device with two lasers has also been implemented to allow the fine analysis of the state of an E. coli bacterium subjected to heat stress. These results falls within the issue of bacterial diagnosis, very sensitive in recent years with the increase of the resistance of bacteria to antibiotics. If no change occurs, it is predicted that bacterial infections will be the main cause of death in developed countries by 2050. It is therefore necessary to develop new, faster and more accessible diagnostic tools to limit the large distribution of antibiotics leading to this phenomenon of antibioresistance. We also propose in the last part of this manuscript solutions to integrate our trapping device in order to pave the way for new applications in pathogenic environments., La miniaturisation des systèmes de piégeage optique permet la manipulation et l’analyse d’objets de taille nano et micrométrique. Ces objets peuvent être inertes (billes de silice ou de polystyrène, nanotubes de carbones) ou biologiques (virus, bactéries, cellules). Les dispositifs de piégeage intégrés sur puces présentent l’avantage de manipuler des objets uniques de manière réversible et à très faible puissance. Cela en fait des systèmes très adaptés à l’étude des objets biologiques, souvent plus fragiles et traditionnellement étudiés à l’échelle de la population dans les méthodes de microbiologie. Ces travaux de thèse portent sur l’étude de différentes bactéries piégées sur cristaux photoniques 1D et 2D. Nous y démontrons tout d’abord le piégeage de sept espèces bactériennes : E. coli, B. subtilis, S. epidermidis, Y. ruckeri, N. sicca, P. putida et L. innocua. . Nous y décrivons les méthodes de caractérisation spatiale et temporelle développées pour extraire de l’information de ce piégeage sur la taille, la forme, le déplacement et la structure membranaire des bactéries. Un dispositif de piégeage à deux lasers a également été implémenté pour permettre l’analyse fine de l’état d’une bactérie E. coli soumise à un stress thermique. Ces résultats s’inscrivent dans une problématique de diagnostic bactérien, très sensible depuis quelques années avec l’augmentation de la résistance des bactéries aux antibiotiques. Si aucun changement n’intervient, il est prédit que les infections bactériennes constitueront la première cause de mortalité des pays développés d’ici 2050. Il est donc nécessaire d’élaborer de nouveaux outils de diagnostic plus rapides et plus accessibles afin de limiter la distribution abusive d’antibiotiques qui entraine ce phénomène de résistance Nous proposons également en dernière partie de ce manuscrit des solutions pour intégrer notre dispositif de piégeage en vue d’ouvrir la voie à de nouvelles applications dans des environnements pathogènes.

Reaching the strong coupling between nanocavities and atomic systems is a key element for Quantum Information. During my PhD, I designed and fabricated photonic crystal nanocavities in Gallium Indium Phosphide (GaInP)for strong coupling around 800,nm, typical wavelength of atoms such as Rubidium (780,nm), Cesium (852 nm), the most used in this domain, and the Argon atoms (811 nm).The aim of my PhD thesis is to provide with a nanophotonic platform dedicated to strong coupling interaction. For this, nanocavities having optical resonances arounf 800 nm, with quality factors larger than 8.10^4 and mode volumes smaller than 0.04µm^3 are necessary.The nanocavity is a key element of nanophotonic plateform. Our platforms are composed of a photonic crystal nanocavityitself, a grating-coupler in order to collect light from a optic fiber and vice versa and feeding waveguides in order to transport the light from the grating-coupler to the cavity. An efficient nanophtonic platfom for a reaslitic implementation should have a nanocavity with a large Q-factor and small mode volume. The grating-coupler must efficiently collect the light from the optical fiber, and the feeding waveguides must transport the light without losses.I simulated, designed,fabricated and caracterized the elements of my structure. I obtained quality factors larger than 10^7 in theory, and about 2.10^4 experimentally, getting the record for the nanocavities in GaInP around the wavelength 800 nm, which make them close to realize experiments of strong coupling.; Atteindre le régime de couplage fort entre des nanocavités et des systèmes atomiques est un élément clé dans l'information quantique. Durant ma thèse, j'ai designé et fabriqué des nanocavités à cristal photonique en GaInP pour le couplage fort autour de 800 nm, longueur d'onde typique des atomes du Rubidium (780 nm) et de Césium (852 nm), les plus utilisés dans le domaine, ainsi que de l'Argon (811 nm). L'objectif est de faire interagir ces atomes avec la partie évanescente du mode fondamental de la nanocavité. Pour cela, un facteur de qualité de l'ordre de 8.10^4 et un volume modal inférieur à 0,04 µm^3 est nécessaire.La nanocavité est l'élément clé d'une plateforme nanophotonique. Nos plateformes sont composées d'une nanocavité à cristal photonique résonant autour de 800 nm, d'un réseau-coupleur pour collecter la lumière issue d'une fibre optique et vice versa et de guides d'alimentation pour transporter la lumière du réseau-coupleur à la nanocavité. Plusieurs défis technologiques ont émergé. La nanocavité doit avoir un fort facteur de qualité et un faible volume modal, le réseau-coupleur doit collecter le maximum de lumière issue de la fibre, les guides d'alimentation doivent transporter la lumière sans perte et, enfin, un mécanisme pour coupler la lumière des guides d'alimentation dans la nanocavité devait être trouvé.J'ai simulé, designé, fabriqué et caractérisé les éléments de ma structure. J'ai obtenu des facteurs de qualité supérieurs à 10^7 en théorie, et de l'ordre de 2.10^4 expérimentalement, détenant ainsi le record pour les cavités en GaInP autour de la longueur d'onde de 800 nm pavant la voie à la réalisation des expériences de couplage fort.

Reaching the strong coupling between nanocavities and atomic systems is a key element for Quantum Information. During my PhD, I designed and fabricated photonic crystal nanocavities in Gallium Indium Phosphide (GaInP)for strong coupling around 800,nm, typical wavelength of atoms such as Rubidium (780,nm), Cesium (852 nm), the most used in this domain, and the Argon atoms (811 nm).The aim of my PhD thesis is to provide with a nanophotonic platform dedicated to strong coupling interaction. For this, nanocavities having optical resonances arounf 800 nm, with quality factors larger than 8.10^4 and mode volumes smaller than 0.04µm^3 are necessary.The nanocavity is a key element of nanophotonic plateform. Our platforms are composed of a photonic crystal nanocavityitself, a grating-coupler in order to collect light from a optic fiber and vice versa and feeding waveguides in order to transport the light from the grating-coupler to the cavity. An efficient nanophtonic platfom for a reaslitic implementation should have a nanocavity with a large Q-factor and small mode volume. The grating-coupler must efficiently collect the light from the optical fiber, and the feeding waveguides must transport the light without losses.I simulated, designed,fabricated and caracterized the elements of my structure. I obtained quality factors larger than 10^7 in theory, and about 2.10^4 experimentally, getting the record for the nanocavities in GaInP around the wavelength 800 nm, which make them close to realize experiments of strong coupling.; Atteindre le régime de couplage fort entre des nanocavités et des systèmes atomiques est un élément clé dans l'information quantique. Durant ma thèse, j'ai designé et fabriqué des nanocavités à cristal photonique en GaInP pour le couplage fort autour de 800 nm, longueur d'onde typique des atomes du Rubidium (780 nm) et de Césium (852 nm), les plus utilisés dans le domaine, ainsi que de l'Argon (811 nm). L'objectif est de faire interagir ces atomes avec la partie évanescente du mode fondamental de la nanocavité. Pour cela, un facteur de qualité de l'ordre de 8.10^4 et un volume modal inférieur à 0,04 µm^3 est nécessaire.La nanocavité est l'élément clé d'une plateforme nanophotonique. Nos plateformes sont composées d'une nanocavité à cristal photonique résonant autour de 800 nm, d'un réseau-coupleur pour collecter la lumière issue d'une fibre optique et vice versa et de guides d'alimentation pour transporter la lumière du réseau-coupleur à la nanocavité. Plusieurs défis technologiques ont émergé. La nanocavité doit avoir un fort facteur de qualité et un faible volume modal, le réseau-coupleur doit collecter le maximum de lumière issue de la fibre, les guides d'alimentation doivent transporter la lumière sans perte et, enfin, un mécanisme pour coupler la lumière des guides d'alimentation dans la nanocavité devait être trouvé.J'ai simulé, designé, fabriqué et caractérisé les éléments de ma structure. J'ai obtenu des facteurs de qualité supérieurs à 10^7 en théorie, et de l'ordre de 2.10^4 expérimentalement, détenant ainsi le record pour les cavités en GaInP autour de la longueur d'onde de 800 nm pavant la voie à la réalisation des expériences de couplage fort.

This thesis is devoted to develop tunable devices on the base of one-dimensional photonic crystals (1DPhC) which can sustain Bloch surface waves (BSWs).First, we explore the possibilities to control the BSW propagation direction with polarization of incident light. In this case we manufacture additional passive structures such as gratings on the top of the 1DPhC, which are working both as a BSW launcher and polarization–controlled “wave-splitters”. We test this type of launcher in air and in water as an external medium. Then, we demonstrate the tunability of the BSW by adding an active layers into the multilayer stack. Here a crystalline X-cut thin film lithium niobate (TFLN) is used to introduce anisotropic properties to the whole 1DPhC. Different ways to manufacture 1D PhCs with LiNbO3 on the top would be described. Finally, we explore the concept of the electro-optically tuned BSW.; Cette thèse est consacrée au développement de dispositifs accordables sur la base de cristaux photoniques unidimensionnels qui peuvent supporter des ondes de surface de Bloch (BSW). Tout d'abord, nous explorons les possibilités de contrôler la direction de propagation des BSW par le biais de la polarisation de la lumière incidente. Dans ce cas, nous gravons sur le dessus du cristal photonique 1D des structures passives de type réseau, qui permettent à la fois de coupler la lumière incidente aux BSWs et de se comporter comme une lame séparatrice ultracompacte contrôlée par la polarisation lumineuse. Nous avons testé ce type de coupleur sur des cristaux photoniques 1D fonctionnant dans l’air et dans l’eau. Ensuite, nous démontrons l'accordabilité des BSWs en ajoutant une fine couche active dans la structure photonique multicouche. Il s’agit d’un film mince de niobate de lithium monocristallin qui permet d’introduire des propriétés anisotropes dans le cristal photonique 1D. Différentes façons de fabriquer des cristaux photoniques 1D contenant du niobate de lithium monocristallin ont été développées dans le cadre de ce travail. Ces travaux nous ont permis d’explorer le concept de contrôle électro-optique des BSWs.

This thesis is devoted to develop tunable devices on the base of one-dimensional photonic crystals (1DPhC) which can sustain Bloch surface waves (BSWs).First, we explore the possibilities to control the BSW propagation direction with polarization of incident light. In this case we manufacture additional passive structures such as gratings on the top of the 1DPhC, which are working both as a BSW launcher and polarization–controlled “wave-splitters”. We test this type of launcher in air and in water as an external medium. Then, we demonstrate the tunability of the BSW by adding an active layers into the multilayer stack. Here a crystalline X-cut thin film lithium niobate (TFLN) is used to introduce anisotropic properties to the whole 1DPhC. Different ways to manufacture 1D PhCs with LiNbO3 on the top would be described. Finally, we explore the concept of the electro-optically tuned BSW.; Cette thèse est consacrée au développement de dispositifs accordables sur la base de cristaux photoniques unidimensionnels qui peuvent supporter des ondes de surface de Bloch (BSW). Tout d'abord, nous explorons les possibilités de contrôler la direction de propagation des BSW par le biais de la polarisation de la lumière incidente. Dans ce cas, nous gravons sur le dessus du cristal photonique 1D des structures passives de type réseau, qui permettent à la fois de coupler la lumière incidente aux BSWs et de se comporter comme une lame séparatrice ultracompacte contrôlée par la polarisation lumineuse. Nous avons testé ce type de coupleur sur des cristaux photoniques 1D fonctionnant dans l’air et dans l’eau. Ensuite, nous démontrons l'accordabilité des BSWs en ajoutant une fine couche active dans la structure photonique multicouche. Il s’agit d’un film mince de niobate de lithium monocristallin qui permet d’introduire des propriétés anisotropes dans le cristal photonique 1D. Différentes façons de fabriquer des cristaux photoniques 1D contenant du niobate de lithium monocristallin ont été développées dans le cadre de ce travail. Ces travaux nous ont permis d’explorer le concept de contrôle électro-optique des BSWs.

The electromagnetic surrounding of an emitter can really affect its emission. A dielectric interface for example can accelerate the emission by a factor called the Purcell factor. The emitters will be deposited on top of a metalized opal in the region of high intense electric field: the interstices between the beads of the metallized opal. The strong interactions with the electric field will accelerate the emission of these emitters. In the near future, nanopilars could play the same role. Here the optical response of this structure is compared with an analytical model of a cylindrical waveguide.; L’environnement électromagnétique d’un nanoémetteur a une grande influence sur son émission. Une interface diélectrique va par exemple accélérer son émission d’un facteur appelé facteur de Purcell. L’objectif ici est d’utiliser différents types de matériaux pour améliorer cette émission. Des émetteurs seront placés de manière déterministe sur une opale métallisée à l’endroit où le champ électrique est le plus intense : à l’interstice entre les billes de l’opale recouverte d’or. Les fortes interactions avec le champ électrique vont jouer un rôle dans l’accélération de l’émission. Les structures de piliers diélectriques pourraient également avoir un rôle sur l’émission d’un nanoémetteur et ces structures sont ici confrontées à un modèle de guide d’onde cylindrique.

The energy consumption of the whole ICT ecosystem is growing at a fast paceand in a global context of the search for an ever more connected yet sustainable society, a technologicalbreakthrough is desired. Here, integrated nonlinear photonics will help by providingnovel possibilities for energy efficient signal processing. In this PhD thesis, I have been investigatingsub-wavelength semiconductor structures, particularly photonic crystals, which have shownremarkable nonlinear properties. More specifically the strong confinement and slow light propagationenables on-chip ultra-fast all-optical signal processing, either based on four-wave-mixingor self-phase modulation. The main point here is the use of novel semiconductor materials withimproved nonlinear properties with respect to Silicon. In fact, it has now been acknowledgedthat the nonlinear and free-carriers absorption in Silicon integrated photonic structures is anissue hindering the full exploitation of nonlinear effects. In my thesis, wide-gap III-V semiconductorshave been used to develop high quality photonic crystal waveguides and cavities whichare able to sustain extremely high optical power densities as well as large average power levels.I have demonstrated PhC waveguides with much improved thermal conductivity through heterogeneousintegration of GaInP membranes with silicon dioxide. This will allow continuous wave phase-sensitive amplification, which I already demonstrated in the pulsed regime using GaInPself-suspended membranes. In parallel, I have demonstrated high quality PhC in Gallium Phosphide,which is a very promising material because of the large bandgap and the very good thermalconductivity. Preliminar results demonstrate the achievement of extremely large nonlinear regime(mini-comb, soliton compression and fission ...).; La consommation d’énergie liée aux technologies de l’information augmente trèsrapidement et dans la mesure où la société a besoin d’être toujours plus connectée tout ens’appuyant sur des solutions durables, les technologies actuelles ne suffisent plus. La photoniqueintégrée s’impose dès lors comme une alternative à l’électronique pour réaliser du traitementdu signal économe en énergie. Au cours de cette thèse, j’ai étudié des structures sub-longueurd’onde en semiconducteur, les cristaux photoniques, qui présentent des propriétés non linéairesimpressionnantes. Plus précisément, le confinement fort et la propagation en lumière lente permettentun traitement sur puce de signal ultra-rapide tout optique, soit à partir de mélange àquatre ondes ou d’auto-modulation de phase. L’originalité est l’utilisation de nouveaux matériauxsemi-conducteurs ayant moins d’absorption non linéaires et par porteurs libres, effets qui limitentla pleine exploitation des effets non linéaires dans les structures photoniques en Silicium. Dansma thèse, des semiconducteurs III-V ont été utilisés pour développer des guides et des cavitéscristal photonique de grande qualité qui sont en mesure de supporter des densités de puissanceoptiques extrêmement élevées ainsi que de grands niveaux de puissance moyenne. J’ai amélioré laconductivité thermique des guides d’ondes grâce à l’intégration hétérogène de membranes GaInPavec du dioxyde de silicium. Cette plateforme permettra à terme de démontrer de l’amplificationsensible à la phase dans le régime continu que j’ai déjà démontré dans le régime pulsé en utilisant des membranes suspendues en GaInP. En parallèle, j’ai démontré des cristaux photoniques de grande qualité dans du Gallium phosphure, qui est un matériau très prometteur en raison de lagrande bande interdite et de la très bonne conductivité thermique. Les résultats préliminaires ontpermis la réalisation d’un régime non linéaire intense (mini-peigne de fréquence, compression etfission de soliton ...).

Light is incredibly versatile for measuring all kinds of physical quantities :temperature, electric field (E-field), displacement and strain etc. Photonic sensors are promising candidates for the new generation of sensors developments due to their virtues of high sensitivity, large dynamic range and compact size etc. Integrated and on-fiber end photonic sensors on thin film lithium niobate (TFLN) exploring the electro-optic (EO) and pyro-electric effects are studied in this thesis in order to design E-field sensors and temperature sensors (T-sensors). These studies aim to develop sensors with high sensitivity and compact size. To achieve that aim, sensors that are made of photonic crystals (PhC) cavities are studied by sensing the measurand through the resonance wavelength interrogation method. In integrated sensor studies, intensive numerical calculations by PWE method, mode solving technique and FDTD methods are carried out for the design of high light confinement waveguiding structures on TFLN and suitable PhC configurations. Four types of waveguide (WG) structures (ridge WG, strip loaded WG, slot WG and double slot WG) are studied with a large range of geometrical parameters. Among them, slot WG yields the highest confinement factor while strip loaded WG is an easier option for realizations. Bragg grating is designed in slot WG with an ultra compact size (about 0.5µm×0.7µm ×6µm) and is employed to design PhC cavity. A moderate resonance Q of about 300 in F-P like cavity where the mirrors are made of PhC is achieved with ER of about 70% of the transmission. Theoretical minimum E-field sensitivity of this slot Bragg grating structure can be as low as 200 µV/m. On the other hand, Si3N4 strip loaded WG is designed with 2D PhC structure and a low resonance Q of about 100 is achieved. Fabrications of nano-metrical WG such as ridge WG Si3N4 strip loaded are demonstrated. However, the realization of nanometric components on LN presents a big challenge.In the on-fiber end sensor studies, guided resonance, oftentimes referred to as Fano resonance due to its asymmetric lineshape, is studied with different PhC lattice types. A Suzuki phase lattice (SPL) PhC presenting a Fano resonance at the vicinity of 1500 nm has been studied and demonstrated as temperature sensor with sensitivity of 0.77 nm/oC with a size of only 25 µm × 24 µm. In addition, guided resonances on rectangular lattice PhC have been systematically studied through band diagram calculations, 2D-FDTD and 3D- FDTD simulations.; La lumière est incroyable polyvalente pour mesurer toutes sortes de grandeurs physiques : température, champ électrique, déplacement et déformation, etc. Les capteurs photoniques sont des candidats prometteurs pour les développements de nouvelles générations de capteurs en raison de leurs vertus de sensibilité élevée, une grande gamme dynamique, etc. Les capteurs intégrés et ceux placés en bout de fibre sur une couche mince de niobate de lithium seront ici étudiés en explorant l’électro-optique ainsi que les pyro-électronique afin de concevoir des capteurs de champs et de capteurs de température.

Light is incredibly versatile for measuring all kinds of physical quantities :temperature, electric field (E-field), displacement and strain etc. Photonic sensors are promising candidates for the new generation of sensors developments due to their virtues of high sensitivity, large dynamic range and compact size etc. Integrated and on-fiber end photonic sensors on thin film lithium niobate (TFLN) exploring the electro-optic (EO) and pyro-electric effects are studied in this thesis in order to design E-field sensors and temperature sensors (T-sensors). These studies aim to develop sensors with high sensitivity and compact size. To achieve that aim, sensors that are made of photonic crystals (PhC) cavities are studied by sensing the measurand through the resonance wavelength interrogation method. In integrated sensor studies, intensive numerical calculations by PWE method, mode solving technique and FDTD methods are carried out for the design of high light confinement waveguiding structures on TFLN and suitable PhC configurations. Four types of waveguide (WG) structures (ridge WG, strip loaded WG, slot WG and double slot WG) are studied with a large range of geometrical parameters. Among them, slot WG yields the highest confinement factor while strip loaded WG is an easier option for realizations. Bragg grating is designed in slot WG with an ultra compact size (about 0.5µm×0.7µm ×6µm) and is employed to design PhC cavity. A moderate resonance Q of about 300 in F-P like cavity where the mirrors are made of PhC is achieved with ER of about 70% of the transmission. Theoretical minimum E-field sensitivity of this slot Bragg grating structure can be as low as 200 µV/m. On the other hand, Si3N4 strip loaded WG is designed with 2D PhC structure and a low resonance Q of about 100 is achieved. Fabrications of nano-metrical WG such as ridge WG Si3N4 strip loaded are demonstrated. However, the realization of nanometric components on LN presents a big challenge.In the on-fiber end sensor studies, guided resonance, oftentimes referred to as Fano resonance due to its asymmetric lineshape, is studied with different PhC lattice types. A Suzuki phase lattice (SPL) PhC presenting a Fano resonance at the vicinity of 1500 nm has been studied and demonstrated as temperature sensor with sensitivity of 0.77 nm/oC with a size of only 25 µm × 24 µm. In addition, guided resonances on rectangular lattice PhC have been systematically studied through band diagram calculations, 2D-FDTD and 3D- FDTD simulations.; La lumière est incroyable polyvalente pour mesurer toutes sortes de grandeurs physiques : température, champ électrique, déplacement et déformation, etc. Les capteurs photoniques sont des candidats prometteurs pour les développements de nouvelles générations de capteurs en raison de leurs vertus de sensibilité élevée, une grande gamme dynamique, etc. Les capteurs intégrés et ceux placés en bout de fibre sur une couche mince de niobate de lithium seront ici étudiés en explorant l’électro-optique ainsi que les pyro-électronique afin de concevoir des capteurs de champs et de capteurs de température.

In thin film silicon solar cells, it is important to take control of the absorption efficiency, in order to reach a high enough short-circuit current density (Jsc). To reach this goal, we have developed light trapping strategies based on simply periodic photonic crystals (PC) and more complex pattern structures. This work aims at integrating such structures into thin film crystalline silicon (c-Si) solar cells. Firstly, a simply periodic square lattice PC structure of cylindrical holes or inverted nano-pyramids have been considered in a-Si:H/c-Si heterojunction thin film solar cells. The absorption in the sole absorbing layer (c-Si) is considered and optimized in numerical simulations based on the Finite Difference Time Domain method. The Jsc are increased by 56.4% (cylindrical holes) and 104.8% (inverted nano-pyramids) compared to the unpatterned case. We also considered more advanced structures where an additional cylindrical holes structure is introduced in the bottom. Secondly, we have considered complex but realistic “pseudo-disordered” nanostructures, based on periodically reproduced supercells where the holes are randomly shifted. In such structures the absorption could be increased compared with fully optimized square lattice of holes, by increasing the spectral density of optical modes. Simulation based on Rigorous Coupled Wave Analysis and fabrication by electronic beam lithography and reactive ion etching technologies have been performed, leading to a net absorption increase of about 2.1% theoretically, and 2.7% experimentally. Lastly, we have introduced pseudo-disordered structures with supercells of different size, in c-Si layers of several thicknesses in the 1-8μm range. The absorption mechanisms in such structures were analyzed, both in the real and reciprocal spaces, with a view to determine design guidelines. Moreover, the angular response of the optimized pseudo-disordered structure appears to be more stable than in the optimized square lattice of holes periodic case, especially in the long wavelength range., Dans les cellules solaires en couches minces de silicium, il est important de maximiser l'efficacité d'absorption, notamment afin d'atteindre une densité de courant de court-circuit (Jsc) suffisante. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé des stratégies de piégeage de la lumière à base de cristaux photoniques (CP) simplement périodiques et des structures plus complexes, pseudo-désordonnées. Ce travail vise à intégrer de telles structures dans des cellules solaires en couches minces de silicium cristallin (c-Si). Tout d'abord, un CP à maille carrée de trous cylindriques ou de nano-pyramides inversées ont été intégrés dans cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si en couches minces. L'absorption dans la seule couche absorbante (c-Si) est optimisée grâce à des simulations numériques utilisant la méthode de différences finies dans le domaine temporel. Le Jsc est augmenté de 56,4% (trous cylindriques) et 104,8% (nanopyramides inversées) par rapport au cas sans motif. Nous avons également examiné des structures plus élaborées, où plus un CP de trous cylindriques est introduit en face arrière. Deuxièmement, nous avons considéré des nanostructures complexes mais réalistes pseudo-désordonné, sur la base de supercellules périodiquement reproduites où les trous sont placés au hasard. Dans de telles structures l'absorption peut être augmentée par rapport à un réseau carré de trous optimisé, par augmentation de la densité spectrale de modes optiques. La simulation basée sur l'analyse rigoureuse couplée et la fabrication par lithographie par faisceau électronique et les technologies de gravure ionique réactive ont été effectués, conduisant à une augmentation de l'absorption nette d'environ 2,1% en théorie, et de 2,7% expérimentalement. Enfin, nous avons mis en place des structures pseudo-désordonnées avec supercellules de tailles différentes, dans les couches c-Si de plusieurs épaisseurs dans la gamme 1-8μm. Les mécanismes d'absorption dans ces structures ont été analysés, à la fois dans les espaces réel et réciproque, en vue de déterminer des critères de conception. En outre, la réponse angulaire de la structure pseudo-désordonnée optimisée est plus stable que celle du réseau carré optimisé, en particulier dans les grandes longueurs d'onde.

Optomechanical systems, in which the vibrations of a mechanical resonator are coupled to an electromagnetic radiation, have permitted the investigation of a wealth of novel physical effects. To fully exploit these phenomena in realistic circuits and to achieve different functionalities on a single chip, the integration of optomechanical resonators is mandatory. Here, we propose a novel approach to heterogeneously integrated arrays of two-dimensional photonic crystal defect cavities on top of silicon-on-insulator waveguides. The optomechanical response of these devices is investigated and evidences an optomechanical coupling involving both dispersive and dissipative mechanisms. By controlling optical coupling between the waveguide and the photonic crystal, we were able to vary and understand the relative strength of these couplings. This scalable platform allows for unprecedented control on the optomechanical coupling mechanisms, with a potential benefit in cooling experiments, and for the development of multi-element optomechanical circuits in the frame of optomechanically-driven signal-processing applications., Les systèmes optomécaniques, dans lesquels les vibrations d'un résonateur mécanique sont couplées à un rayonnement électromagnétique, ont permis l'examen de multiples nouveaux effets physiques. Afin d'exploiter pleinement ces phénomènes dans des circuits réalistes et d'obtenir différentes fonctionnalités sur une seule puce, l'intégration des résonateurs optomécaniques est obligatoire. Ici nous proposons une nouvelle approche pour la réalisation de systèmes intégrés et hétérogènes comportant des cavités à cristaux photoniques bidimensionnels au-dessus de guides d'ondes en silicium-sur-isolant. La réponse optomécanique de ces dispositifs est étudiée et atteste d'un couplage optomécanique impliquant à la fois les mécanismes dispersifs et dissipatifs. En contrôlant le couplage optique entre le guide d'onde intégré et le cristal photonique, nous avons pu varier et comprendre la contribution relative de ces couplages. Cette plateforme évolutive permet un contrôle sans précédent sur les mécanismes de couplage optomécanique, avec un avantage potentiel dans des expériences de refroidissement et pour le développement de circuits optomécaniques multi-éléments pour des applications tels que le traitement du signal par effets optomécaniques.

Recent advances in nanotechnology allow considering new generations of laser diodes. The purpose of this thesis is to study the contribution of two-dimensional photonic crystals to design and fabricate a monolithic array of laser diodes emitting near 2.3 µm in GaSb system. Each laser in the array has to respond to stringent criteria : a stable and precisely predefined single-mode emission wavelength, high output power, tunable wavelength with no mode hopping over the tunability range. Moreover, such device should operate at room temperature, under electrical pumping and continuous regime. These criteria respond to the specifications of the technique of Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (MTDLAS). The MTDLAS technique is here implemented for gas sensing applications in the Mid-wavelength infrared (MidIR), corresponding to the wavelength range from 2 to 5 microns. This wavelength range contains two transparency windows (around 2.3 µm and from 3.4 to 4 µm), where the absorption by water vapor and carbon dioxide is reduced. The existence of these windows is harnessed for the detection of gaseous molecules in the atmosphere, such as carbon monoxide or methane. For my thesis work, the chosen wavelength of laser emission is 2.3 µm. This wavelength corresponds to a transparency window allowing detection of CH4, CO and HF. This dissertation presents the design of all photonic crystal laser diode, and the development of a manufacturing process of such device, which led to the production of a set of components. We show that the engineering of the photonic lattice combined with an optimization of the width of the laser waveguide provide stable, single-mode emission operation. Based on this principle, several geometries for photonic crystal lattice were studied. Then we tackle the technological challenge of deep etching with high aspect ratio in AlGaAsSb alloys. For this, we present parametric studies of etching, leading to the development of an optimized process for deep etching. We succeed to etch holes of 370 nm diameter and 3.4 µm depths, corresponding at an aspect ratio in excess of 9. We have developed a technological manufacturing process of all photonic crystal laser diodes, where this critical etching step has been successful inserted. This led to the realization of a set of components.; Les progrès récents des nanotechnologies permettent d'envisager de nouvelles générations de diodes laser. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'apport des cristaux photoniques bidimensionnels pour explorer la faisabilité d'un réseau monolithique de diodes laser tout cristal photonique émettant au voisinage de 2,3 µm en filière GaSb. Chaque laser doit répondre à un certain nombre de critères : une émission monomode à une longueur d'onde stable et précise, une émission fine spectralement avec une puissance de sortie élevée, une longueur d'onde accordable, présentant aucun saut de mode sur la gamme d'accordabilité, un fonctionnement à température ambiante, sous pompage électrique et en régime continu. Ces critères répondent au cahier des charges de la technique de spectroscopie d'absorption à diodes laser accordables multiplexées (MTDLAS : Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy). La technique de MTDLAS est ici mise en œuvre pour les applications de détection de gaz dans le moyen infra-rouge (MIR), soit la gamme de longueur d'onde allant de 2 à 5 µm. Cette gamme de longueur d'onde présente plusieurs fenêtres de transparence (autour de 2,3 µm et de 3,4 à 4 µm) où l'absorption par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone est très faible. L'existence de ces fenêtres est mise à profit pour la détection de molécules gazeuses de l'atmosphère, telles que le monoxyde de carbone ou le méthane. Pour mes travaux de thèse, la longueur d'onde d'émission laser retenue est de 2,3 µm. Cette longueur d'onde correspond à la fenêtre de transparence pour la détection notamment du CH4, du CO et du HF. Ainsi, ce mémoire présente la conception de diodes laser tout cristal photonique, et le développement d'un procédé de fabrication de ces diodes lasers, qui a mené à la réalisation d'une série de composants. Nous montrons qu'une déformation de la maille photonique, associée à une optimisation de la largeur du guide, permet d'obtenir un fonctionnement monomode stable. Se basant sur ce principe, plusieurs géométries de mailles de cristaux photoniques ont été étudiées. Puis, nous nous attachons à lever le verrou technologique de la gravure profonde à fort rapport d'aspect dans les alliages AlGaAsSb. Pour cela, nous présentons des études paramétriques de gravure, conduisant à la mise au point d'un procédé optimisé de gravure profonde. Des profondeurs de gravure de 3,4 µm pour des trous de 370 nm de diamètre, soit un rapport d'aspect de plus de 9, ont ainsi pu être atteintes. Cette étape critique de gravure a été insérée dans un procédé technologique de fabrication de diodes laser tout cristal photonique, que nous avons mis au point. Cela a mené à la réalisation d'une série de composants.

Le manuscrit décrit le couplage entre un émetteur fluorescent (nanocristaux colloïdaux) et son environnement photonique ou plasmonique. Différents types d'environnements sont considérés : cristal photonique 2D (réseau de trous) ou 3D (opale), surface métallique plane ou périodique, nano-antenne métallique, nano-cavité optique. Différents effets sont attendus du couplage d’un émetteur fluorescent à son environnement, qui peuvent permettre d’améliorer ses qualités de fluorescence par exemple en tant que source de photons uniques : exaltation, redirection, polarisation… Le contrôle de l'accord (spatial, spectral, orientation) entre l'émetteur et le mode optique est un aspect crucial du couplage.

Electromagnetic objects are designed by considering homogeneous materials properties (permittivity, permeability). However, during their realization real materials may present fluctuations of their properties. This work focuses on the development of tools able to estimate scattered fields produced by fluctuations. Three methods have been developed : EMFORS, ABE and RECY for the determination of the scattered field by fluctuations of permittivity and permeability. Taking into account permeability fluctuations is a significant advance. Indeed, there was no tool to estimate the scattered field by such a fluctuation, due to the absence of magnetic properties at optical frequencies.The three methods are based on the first order approximation. They allow to estimate the scattered field by fluctuations of permittivity and permeability within magneto-dielectric multilayer.The EMFORS method is a matrix resolution. It allows rapid resolution. Thus, we have shown that the nature of the fluctuation plays on the scattered intensity levels. Thus, the permeability fluctuation (for same value) scatters less than the permittivity fluctuations.The ABE method is an iterative resolution using the admittances. It gives an analytical solution in simple cases. This analytical solution gives tools for rapid assessment of the scattered field for a thin layer in the air or on a metal.The RECY method is a method which allows to estimate the field in an object using the principle of reciprocity from the knowledge of the field in the object without defect and of the fluctuation function. This method allows, once the ideal field calculated by any method (analytic or digital), to obtain the scattered field from any structure.We applied RECY for structures such as elementary gratings, an industrial structure and photonic crystals. The method has shown very good agreement when the defect is compatible with first-order approximation. In photonic crystals, defects present a resonant response that invalidate the first-order approximation. For this reason, defects in photonic crystals were investigated by a Monte-Carlo method. We have thus shown that polydispersity of the sizes of the objects is the main contribution to scattered field inphotonic crystals., Les objets électromagnétiques sont conçus en considérant des matériaux aux propriétés radio-électriques (permittivité, perméabilité) homogènes. Néanmoins, lors de leur réalisation les matériaux réels peuvent présenter des fluctuations de ces propriétés. Ce travail porte sur la mise au point d'outils capables d'estimer le champ diffusé produit par les fluctuations. Trois méthodes ont été mises au point : EMFORS, ABE et RECY pour la détermination du champ diffusé par des fluctuations de permittivité et de perméabilité. La modélisation de la contribution des fluctuations de perméabilité est une avancée significative. En effet, il n'existait pas d'outil traitant ce problème dans toute sa généralité pour estimer le champ diffusé par cette fluctuation. L'absence de magnétisme aux fréquences des ondes optiques en est la principale raison.Les trois méthodes ont toutes pour base une approximation du premier ordre. Elles permettent d'estimer le champ diffusé par des fluctuations de permittivité et de perméabilité au sein d'un empilement de couches magnéto-diélectriques. Chaque méthode possède ensuite des particularités propres.La méthode EMFORS est une résolution matricielle. Elle permet une résolution rapide. Nous avons ainsi pu montrer que la nature de la fluctuation influe sur le niveau de l'intensité diffusée. Ainsi, dans le cas d'un slab simple dans l'air, la fluctuation de perméabilité (à valeur égale) génère moins de champ diffusé que la fluctuation de permittivité.La méthode ABE est une résolution itérative utilisant les admittances. Elle permet l'obtention d'une solution analytique. Cette solution analytique permet d'obtenir dans des cas simples des outils d'estimation rapide du champ diffusé pour une couche mincedans l'air ou sur un métal.La méthode RECY est une méthode qui permet d'estimer à l'aide du principe de réciprocité le champ diffusé dans un objet quelconque à partir de la simple connaissance du champ dans l'objet sans défaut et de la fluctuation. Cette méthode permet une fois le calcul du champ idéal effectué par une méthode quelconque (analytique ou numérique) de calculer le champ diffusé de n'importe quelle forme de fluctuation.Nous avons appliqué RECY à des structures comme un réseau simple, une structure industrielle et aux cristaux photoniques. La méthode a donné de très bons résultats lorsque les défauts étaient compatibles de l'approximation du premier ordre. Dans les cristaux photoniques, les défauts présentent une réponse résonante non compatible de l'approximation du premier ordre. Aussi pour l'étude des défauts dans les cristaux photoniques, nous avons utilisé une méthode de Monte-Carlo. Nous avons ainsi montré la contribution majeure de la polydispersité des tailles des inclusions constitutives du cristal.

The main goal of this PhD thesis is to fabricate compact electro-optical devices in exploiting the properties of photoniccrystal (PhC). Lithium niobate (LiNbO3) is a very attractive material for optical applications (such as opticaltelecommunication, biomedicine, astrophysics) thanks to its low propagation losses (0.1 dB/cm or less), its weakwavelength dispersion, its large optical bandwidth (350-5000 nm), and its strong electro-optical, non linear and acoustoopticalcoefficients. However, classical LiNbO3-based optical components possess active lengths of several centimers,which is not benefic for their good integration in compact optical circuits.We will focus this study more precisely on the feasibility of ultra-compact electro-optical modulators while keeping theperformances of commercialized LiNbO3 Mach-Zehnder type modulators, like their low insertion losses, their high extinctionratios, and their low power consumptions. To overcome this challenge, we will structure high aspect ratio photonic crystalson lithium niobate waveguides by combining optical grade dicing and focused ion beam milling. The main configuration isbased on the technology of LiNbO3 ridge waveguide in order to confine the light laterally and on the nano-structuration ofhigh aspect ratio photonic crystal on the ridge waveguide to enhance the sensibility to electric field stimuli on a fewmicrometers only. Structuring such high aspect ratio PhC will be possible thanks to focused ion beam milling from thetopside and the lateral side of the waveguide.The first issue is to optimize the technology developed in FEMTO-ST Institute for the fabrication of LiNbO3 integratedcomponents. The second issue is to create new configurations to control the propagation of light. This will be the firstexperimental demonstration of high aspect ratio LiNbO3 nanostructures.; Cette thèse de doctorat a pour but de fabriquer des systèmes électro-optiques compacts en utilisant les propriétés des cristaux photoniques (CP).). Le niobate de lithium (LiNbO3) est très attractif pour les applications optiques (télécommunications optiques, biomédical, astrophysique) car il a de faibles pertes en propagation (0.1 dB/cm ou moins), une faible dispersion en longueur d’onde, une large bande de transparence (350-5000 nm), et des forts coefficients Electro-optiques, non-linéaires et acousto-optiques. Cependant, les composants optiques utilisant ce matériau présentent classiquement un encombrement supérieur au centimètre, ce qui est dommageable pour leur intégration dans des circuits optiques compacts. Nous cherchons à démontrer plus précisément la faisabilité de modulateurs électro-optiques ultra-compacts tout en gardant les performances des modulateurs de type Mach-Zehnder, telles que de faibles pertes d'insertion, une faible tension de commande et un fort taux d'extinction. Nous proposons de remplir ces objectifs par l'usinage de cristaux photoniques à haut facteur de forme sur des guides LiNbO3, en associant découpe à la scie circulaire de précision et gravure par faisceau d'ion focalisé. La configuration s’appuie d’une part sur une tranche fine (ridge) de LiNbO3 qui confine la lumière transversalement, et d’autre part sur l'usinage du CP à haut facteur de forme pour favoriser une forte sensibilité à la présence de champs électriques externes sur des longueurs actives de l'ordre du micromètre. Les hauts facteurs de forme seront obtenus en usinant les ridges sur leur sommet et sur leurs flancs. Un premier enjeu, technologique, est destiné à optimiser les technologies développées à l’institut FEMTO-ST en vue d’applications à l’optique intégrée. Le deuxième enjeu, scientifique, s’agit de mettre en oeuvre une nouvelle configuration de contrôle de la lumière à l’aide d’un cristal photonique, présentant un double usinage sur les flancs et le sommet. C'est la première démonstration expérimentale de nanostructures LiNbO3 à haut facteur de forme.

The ability to fabricate optical devices enabling the real time detection of chemical interactions,avoiding the use of markers, has motivated a growing interest. In particular, photonic crystals (PhC)based structures are promising candidates for such applications. Unlike silicon, that has currentlybeen used for most of these demonstrations, diamond offers a high stability and a versatile carbonsurface that can be functionalized to covalently bond specific organic or bio-molecules on its surface.In this context, this thesis aims at studying the interests of diamond for the realization of novel 2DPhC dedicated to biodetection applications. A fully monolithic compact photonic platform, integratedon silicon and optimized to work at wavelength of 1.55 μm was developed. A geometry consistingin a slotted cavity was chosen in order to maximize the sensitivity of such photonic structures totheir environment. Numerical methods allowed to determine the geometrical parameters of the PhC.Diamond microstructuration processes of polycrystalline diamond films deposited on two-inch siliconwafers were developed and optimized for the realization of PhC cavities with quality factors up to6500. Two technological processes specifically dedicated to polycrystalline diamond were developed : asmoothing process and a diamond layer on insulator integration by wafer bonding technology process.The optical sensitivity of diamond PhCs to simple surface modifications was studied and showed that,depending on the chemical surface termination, these diamond PhCs exhibit a strong modification oftheir spectral features. A proof of concept for surface detection in a water environment was realizedusing the biotin/streptavidin biorecognition system. The detection limit of the system was estimatedto be 10 μg/mL. Finally, first steps to detection in the visible range were made with the realization ofPhC working at 600 nm and exhibiting Q factors exceeding 1500., La possibilité de fabriquer des dispositifs optiques pour la détection d’interactions chimiques,sans marquage et en temps réel, présente un intérêt croissant. Notamment, les cristaux photoniques(CPh) présentent un fort potentiel pour une telle application. Contrairement au silicium, majoritairementexploité pour la réalisation de telles structures, le diamant possède l’avantage d’avoir unesurface carbonée biocompatible permettant une fonctionnalisation covalente et stable de biomoléculesspécifiques. Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier la potentialité qu’offre ce matériau pour la réalisationde CPh 2D destinés à des applications de biodétection. Pour cela, une plateforme photoniquemonolithique compacte, intégrable sur silicium et optimisée pour un fonctionnement aux longueursd’onde proches de 1.55 μm a été développée. Une géométrie de cavité à fente a été retenue afin demaximiser la sensibilité des structures photoniques à leur environnement extérieur. Des méthodesnumériques ont permis de préciser les paramètres géométriques des CPh. Des procédés de microstructurationde films minces de diamant polycristallin sur substrat silicium 2 pouces ont été développéset optimisés, pour aboutir à la réalisation de CPh caractérisés par des facteurs de qualité pouvantatteindre 6500. Deux procédés technologiques spécifiques aux films de diamant polycristallin ont notammentété développés : un procédé de lissage et un procédé de transfert de films de diamant surisolant. La sensibilité optique des CPh en diamant à une modification chimique de surface a ensuiteété étudiée et a tout d’abord montré une forte dépendance de leurs performances optiques à de simplesvariations des terminaisons chimiques du matériau. Par la suite, une preuve de concept de détectionsurfacique de protéines en milieu liquide par les CPh en diamant a été réalisée en utilisant le systèmede bioreconnaissance biotine/streptavidine, donnant une limite de détection estimée pour le systèmeà 10 μg/mL. Enfin, des travaux préliminaires de détection dans le visible ont été engagés via la réalisationde cavités à CPh fonctionnant à 600 nm, présentant déjà des facteurs de qualité dépassant les1500.

This work deals with a novel microscopy technique based on the ultra-low one-photon absorption (LOPA) mechanism of photosensitive materials for fabrication of arbitrary two- and three-dimensional (2D, 3D) submicrometer structures. First, we theoretically investigated the intensity distribution at focusing region of a high numerical aperture objective lens as a function of various working conditions, such as propagation of light mismatched refractive index and/or absorbing media. We demonstrated that when working with refractive index mismatch-free and very low absorption conditions, the light could be focused deeply inside the material, allowing a 3D optical manipulation. We then demonstrated experimentally the use of this simple technique for fabrication of desired structures. Different 2D and 3D structures, with a feature as small as 150 nm, have been created in SU-8 photoresist by using a low power and continuous-wave laser emitting at 532 nm. Furthermore, we demonstrated that it is possible to fabricate a polymer-based photonic structure containing a single nanoparticle (NP), by using a double-step method. Indeed, the LOPA microscopy allowed us first to accurately determine the location of a single gold NP and then to embed it as desired into an arbitrary SU-8 photonic structure. The coupling of a gold NP and a polymer-based photonic structure was theoretically and experimentally investigated showing a six-fold photons collection enhancement as compared to that of a NP in unpatterned film., Ce travail porte sur l’étude d’une nouvelle technique de microscopie basée sur le phénomène d’absorption linéaire ultra-faible (LOPA) de matériaux photosensibles pour la fabrication de structures submicrométriques à deux et à trois dimensions (2D, 3D). Premièrement, nous avons étudié théoriquement la distribution de l'intensité lumineuse dans la région focale d’un objectif de microscope de grande ouverture numérique en fonction des différentes conditions de travail, telles que la propagation de la lumière dans un milieu absorbant avec variation d'indice de refraction. Nous avons démontré que lorsque l'on travaille avec un matériau quasi homogène ayant de très faible absorption à la longueur d’onde du faisceau d’excitation, le faisceau laser peut être focalisé en profondeur à l'intérieur du matériau, ce qui permet de manipuler optiquement des objets en 3D. Nous avons ensuite démontré expérimentalement l'utilisation de cette technique pour fabriquer des structures à la demande. Différentes structures 2D et 3D submicrométriques ont été crées en résine SU-8, en utilisant un laser continue de faible puissance à 532 nm. Ces résultats sont similaires à ceux obtenus par la méthode d’absorption à deux photons, mais le coût de fabrication a été énormément réduit. De plus, nous avons démontré qu'il est possible de fabriquer des structures photoniques à base de polymère contenant une seule nanoparticule (NP), en utilisant un procédé à deux étapes. En effet, nous avons d'abord déterminé avec précision la position d'une seule NP d’or, en utilisant une puissance d’excitation très faible, puis nous l'avons insérée dans une structure photonique par une puissance d’excitation plus élevée. Le couplage d'une NP d’or et d'une structure photonique à base de polymère a été ensuite étudié théoriquement et expérimentalement, montrant une amélioration importante de la collection des photons émis par la NP.

In a solar cell, there is a trade-off between light absorption capacity and internal quantum efficiency. In organic semi conductors, charge carrier diffusion is limited to a few hundred nanometers, which implies to work with very thin active layers (< 100 nm). In order to limit the thickness of the material while keeping high light absorption, it is possible to use the properties of photonic crystals (PC) to enhance light matter interaction duration. It consists in forming a PC in or around the active layer, and to excite a resonant mode of the formed photonic structure. The work of this thesis is divided into several parts. In a first approach, using numerical tools, we investigate the phenomena that give rise to absorption enhancement when a plane wave is coupled to a resonant mode of a PC membrane. We then study a nano-structured cell architecture, in which the ITO electrode is periodically patterned, and we optimize absorption enhancement in the thin active layer (50 nm). Finally, in an experimental work, we fabricate two dimensional colloidal crystals formed by dielectric microsphere self assembly., Dans une cellule solaire, il existe un compromis entre l’efficacité d’absorption des photons et le rendement quantique de collection des charges électriques. Dans les semi-conducteurs organiques, la longueur de diffusion des porteurs est limitée à une centaine de nanomètres, si bien qu’il est nécessaire de travailler avec des couches photo-actives ultraminces (< 100 nm). Pour limiter l’épaisseur physique des matériaux utilisés tout en maintenant une absorption élevée, il est possible d’utiliser les propriétés des cristaux photoniques (CP), pour allonger la durée d’interaction des photons avec le milieu absorbant. Cela consiste à former un CP dans la couche active ou à son voisinage et d’exciter des modes résonants de la structure. Ce travail de thèse est divisé en plusieurs parties. Dans un premier temps, à l’aide d’outils numériques, nous nous intéressons aux phénomènes qui régissent le gain d’absorption lors du couplage d’une onde plane avec un mode résonant d’une membrane à CP. Ensuite, nous étudions une cellule à CP, où l’électrode d’ITO est nano-structurée, et nous optimisons le gain d’absorption d’une couche photo-active ultramince (50 nm). Enfin, dans un travail expérimental, nous fabriquons des cristaux colloïdaux bidimensionnels à base de microsphères diélectriques par différentes méthodes d’auto assemblage.

This work was conducted in the framework of the MATISSE project supported by the CPER-FEDER. Coordinated by UTT and including two other partners: Nanovation and URCA, the main project objective was the growth of high quality ZnO thin films and their valorization.ZnO is a wide band gap semiconductor with excellent optical properties. Its exciton binding energy (60meV) is one of the most important characteristics that earned to ZnO more attention despite its physical etching which is difficult to perform. Indeed, the excitonic emission of ZnO occurs approximately at 375nm, which involves the use of small structures whose achievement leads to the use of nanotechnology.Three scientific objectives were pursued: improving the extraction of the excitonic emission in ZnO thin films by engineering the photonic band gap by using photonic crystals, laser emission and control and finally, energy transfer from ZnO to QDots used as phosphors for down conversion of the UV emission to white emission. To achieve this, two technologies were used: PLD growth (Nanovation) and top-down structuring approach neglected by the scientific community.The thesis mainly deals with the structuring by electron beam lithography combined with ICP - RIE and related scientific studies. Conclusive results have been obtained such as high optical gain (>1000 cm-1) and low optical losses (, Le présent travail de thèse a été effectué dans le cadre du projet CPER-FEDER MATISSE, projet coordonné par l’UTT regroupant deux autres partenaires : Nanovation et l’URCA. Le projet avait pour ambition la croissance des couches minces de ZnO de haute qualité et leur valorisation.Le ZnO cristallin est un semiconducteur à grand gap avec d’excellentes propriétés optiques. Son énergie de liaison excitonique de 60meV est l’une des caractéristiques qui lui valent tant d’attention malgré sa difficile gravure physique qui hypothèque la réalisation de composants photoniques compacts. En effet, la longueur d’onde d’émission du ZnO est de l’ordre de 375nm, impliquant l’utilisation de structures de petite taille dont la réalisation relève des nanotechnologies.Trois objectifs scientifiques ont été poursuivis : l’amélioration de l’extraction de l’émission excitonique dans les couches minces de ZnO par ingénierie de gap en utilisant les cristaux photoniques, l’émission laser et son contrôle et enfin, le transfert d’énergie du ZnO vers les QDots comme couche de phosphores pour la conversion de l’émission UV en lumière blanche. Pour y parvenir, deux technologies ont été utilisées : la croissance PLD (Nanovation) et la structuration par approche top-down délaissée par la communauté scientifique.La thèse traite de la structuration par lithographie électronique combinée à la gravure RIE-ICP et les études scientifiques associées. Les résultats obtenus sont concluants avec parfois des records comme pour le gain (>1000cm-1) et les pertes optiques (

The observation of exoplanets and more generally of the close environment of young stars represents an observational double difficulty : the small angular separation between the star and the planet (or its environment such as a protoplanetary disk) and contrast flux. One technique to overcome these difficulties is the nulling interferometry. Two telescopes target a star planet/disk system and the pupils are recombined in such a way that the photons from the star cause destructive interference while those from the planet/disk cause constructive interference. Instrumental constraints are very strong to ensure sufficient extinction of the star, both in terms of optical path difference (of the order of nanometers) than photometric balance (4% for a minimum extinction ratio 40dB). L-band (3.4-4.1μm) is adapted to the observation of cold matter, because the flux ratio between the planet (or star dust) and the star presents a minimum of 10−4 order after 3μm, making the L-band particularly attractive for such observations. Because silicates and glass are not suitable to build guides reaching the L-band, there is currently no mature instrument in this band in integrated optics. Indeed, instrumental constraints on nulling interferometry can be relaxed by using a single-mode interferometer integrated, thanks to modal filtering. An interferometric instrument integrated L-band would be more than welcome, but needs a technology development effort to develop a method of producing L-band single-mode guides as well as integrated beam combiners. My PhD work was to develop such single mode waveguides as well as beam combiners in order to ob- tain an extinction ratio of 10−4 in the L-band. The selected material is lithium niobate (LiNbO3), the mid-infrared transparency makes it a perfect candidate. We used two methods to make the guides : proton exchange and Titanium diffusion. This latter allows to guide both TE and TM polarizations. As Lithium Niobate is electro-optic, we also worked to internally control the phase delay between channels without mobile mechanical part, applying an electric field at the guide via electrodes "on chip". The electro-optical effect allows us to not only vary the optical path delay between channels but also to settle the photometric balance, paving the way towards the realization of an integrated complete interferometer, lightweight, compact and robust. I therefore sought to characterize and optimize the electro-optical efficiency of the system to obtain a command voltage lower than 15V. The result is a "Y" interferometer presenting two Mach-Zehnders as input for photometric adjustment and offering an extinction ratio of 33dB in monochromatic light (3.39μm). Because the electro-optical drive is very fast (> MHz), it becomes possible to compensate for the phase perturbations induced by the atmosphere (1kHz) in real time. We have worked to build a demonstrator which compensates phase delays of the order of kHz without mechanical mobile part and which guarantees, at 3.39μm, an optical path delay around 3nm. We also realized directional couplers whose coupling ratio can be adjusted via a control voltage. The direct application of this technology is an interferometric component 2TABCD or 3TAC whose defects (unbalanced couplers) can be electrically corrected by calibration.; L'observation d'exoplanètes et plus généralement de l'environnement proche de jeunes étoiles représente une double difficulté observationnelle : la faible séparation angulaire entre l'étoile et la planète (ou son environnement tel qu'un disque protoplanétaire) et le contraste de flux. L'une des techniques permettant de surmonter ces difficultés est l'interférométrie en frange noire. Deux télescopes pointent un système étoile planète/disque et les pupilles sont recombinées de telle manière que les photons issus de l'étoile interfèrent destructivement alors que ceux issus de la planète/disque interfèrent constructivement. Les contraintes instrumentales sont très fortes pour garantir une extinction suffisante de l'étoile, tant en terme de différence de marche optique (de l'ordre du nanomètre) que d'équilibre photométrique (4% minimum pour obtenir un taux d'extinction de 40dB). La bande L (3.4 - 4.1μm) est adaptée à l'observation de matière froide, car le rapport de flux entre la planète (ou poussière stellaire) et son étoile présente un minimum de l'ordre de 10−4 après 3μm, ce qui rend la bande L particulièrement attractive pour ce genre d'observations. Parce que les silicates et le verre ne permettent pas de construire des guides atteignant la bande L, il n'existe pas aujourd'hui d'instrument mature fonctionnant dans cette bande en optique intégrée. En effet, les contraintes instrumentales concernant l'interférométrie annulante peuvent être relaxées en utilisant un interféromètre intégré monomode, grâce au filtrage modal. Un instrument interférométrique intégré en bande L serait donc le bienvenu, mais cela nécessite un effort technologique de développement pour mettre au point une méthode de production de guides monomodes en bande L ainsi que de recombineurs intégrés. Mon travail de thèse a consisté à développer de tels guides d'onde ainsi que des recombineurs permettant d'obtenir un taux d'extinction de 10−4 sur la bande L. Le matériau choisi est le Niobate de Lithium (LiNbO3) dont la transparence en infrarouge moyen en fait un parfait candidat. Nous avons utilisé deux méthodes pour fabriquer les guides : l'échange protonique et la diffusion de Titane. Cette dernière méthode permet de guider les deux polarisations T E et T M . Comme le Niobate de Lithium est électro-optique, nous avons aussi travaillé à piloter le retard de phase entre les voies interférométriques de manière intégrée, sans pièce mécanique mobile, en appliquant un champ électrique au niveau du guide via des électrodes "on chip". L'effet électro-optique nous permet non seulement de faire varier la différence de marche entre les voies mais aussi de régler l'équilibre photométrique, ouvrant la voie à la réalisation d'un interféromètre intégré complet, léger, compact et robuste. J'ai donc cherché à caractériser et optimiser l'efficacité électro-optique du système afin d'obtenir une tension de commande inférieure à 15V. Le résultat est un interféromètre de type Y présentant deux Mach-Zehnders en entrée pour le réglage des photométries et offrant un taux d'extinction de 33dB en lumière monochromatique à 3.39μm. Le pilotage électro-optique étant très rapide (> MHz), il devient alors possible de compenser les perturbations de phase induites par l'atmosphère (1kHz) en temps réel. Nous avons ainsi travaillé à construire un démonstrateur qui permet de compenser des retards de phases de l'ordre du kHz sans pièce mobile, garantissant, à 3.39μm, une différence de marche de l'ordre de 3nm. Nous avons aussi réalisé des coupleurs directionnels dont le taux de couplage peut être modulé via une tension de commande. L'application directe de cette technologie est un composant interférométrique 2TABCD ou 3TAC dont les défauts (déséquilibre des coupleurs) peuvent être corrigés par calibration.