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To generate high energy electron beams, conventional accelerators use radio frequency waves to accelerate charged particles to relativistic speeds. However, the accelerating electric field produced is limited to a few tens of megavolts per metre, mainly due to a breakdown phenomenon. Very large facilities are therefore needed to reach sufficiently high energies. For example, the Stanford Linear Accelerator (SLAC), which is the world's longest linear accelerator, accelerates electrons up to 50 GeV over a distance of 3.2 km. Laser-Plasma Accelerators can produce electric fields exceeding 100 GV/m, that are about three orders of magnitude larger than those obtained by radiofrequency-cavity accelerators. They could thus allow for a drastic decrease of the size of accelerators for scientific, medical and industrial applications. Yet, several bottlenecks have to be solved before these applications can be really implemented. It is notably necessary to demonstrate the efficient production of high-quality, multi-GeV electron beams at a high-repetition rate.The doctoral project tackles this problem by exploring new methods for increasing the energy of the electron beams thanks to techniques that are compatibles with arbitrarily high laser powers and repetition rates and that can be combined with controlled injection methods. Indeed, high energy or controlled injection electron beams have been obtained separately during the last fifteen years, but never combined. This thesis presents the work carried out on the guiding techniques as well as on the electron injection techniques which allowed to obtain experimentally good quality beams at high energies. This work was done in particular through the optimisation of a new optic designed at the Laboratoire d'Optique Appliquée, the axiparabola, as well as the development of gas jets specific to laser-plasma acceleration., Pour générer des faisceaux d'électrons à hautes énergies, les accélérateurs conventionnels utilisent des ondes radiofréquences pour accélérer des particules chargées à des vitesses relativistes. Cependant, le champ électrique accélérateur produit est limité à quelques dizaines de mégavolts par mètre, dû notamment à un phénomène de claquage. Il faut donc des installations de très grande taille pour atteindre des énergies suffisamment élevées. Ainsi, l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), qui est l'accélérateur linéaire le plus long au monde, accélère des électrons jusqu'à 50GeV sur 3.2km. Les accélérateurs laser-plasma peuvent produire des champs électriques dépassant 100 GV/m, soit environ trois ordres de grandeur plus grands que ceux obtenus par les accélérateurs à cavités radiofréquences. Ils pourraient ainsi permettre une diminution drastique de la taille des accélérateurs pour des applications scientifiques, médicales et industrielles. Cependant, plusieurs verrous devront être levés avant que ces applications puissent voir le jour. Il sera notamment nécessaire de démontrer la production efficace de faisceaux d'électrons de haute qualité, à des énergies de plusieurs GeV et à un taux de répétition élevé.Le projet doctoral s’attaque à cette problématique en explorant de nouvelles méthodes pour augmenter l'énergie des faisceaux d'électrons grâce à des techniques qui sont compatibles avec des puissances laser et des taux de répétition élevés et qui peuvent être alliées avec des méthodes d'injection contrôlée. En effet, des faisceaux d'électrons à haute énergie ou avec une injection contrôlée ont été obtenus séparément durant les quinze dernières années, mais jamais de manière combinée. Cette thèse présente les travaux réalisés sur les techniques de guidage ainsi que sur celles d'injection des électrons qui ont permis d'obtenir expérimentalement des faisceaux de bonne qualité à hautes énergies. Ce travail s'est fait notamment au travers de l'optimisation d'une optique nouvellement conçue au Laboratoire d'Optique Appliquée, l'axiparabole, ainsi que sur le développement de jets de gaz spécifiques à l'accélération laser-plasma.

In this thesis work, a photoacoustic THz gas sensor (operating in the 620-690 GHz band) used for monitoring Volatile Organic compounds (VOCs) in food packages is presented. This gas sensor is fabricated on low-loss THz High resistivity Silicon (HR-Si) waveguides. The design, modal analysis, and propagation losses of the suspended Si waveguide are discussed in detail. Highly competitive losses not exceeding 0.6 dB/cm in this band have been measured. Three different resonators: photonic, acoustic, and mechanical are at the origin of the gas sensor designs. They allow to triply enhance the detected photoacoustic signal and to reduce the minimum detection limit of the gas sensor. Photonic crystal (PhC) cavities representing the THz photonic resonator are created on top of the Si waveguide. The design optimization and experimental characterizations of several THz PhC cavities are presented in this work. This has led to a resonant PhC cavity at 640 GHz with a record Q factor of 18000. A central hole of the PhC cavity behaves as an acoustical resonator. It is covered by a stressed polycrystalline silicon (Poly-Si) membrane that corresponds to the mechanical resonator. Analytical analysis and experimental characterization measurements are performed to study these acousto-mechanical resonators. The combination of the above realizations has allowed us to demonstrate the first THz photoacoustic detection of low concentrations (200 ppm) of H2S molecules on an integratable platform. H2S being a crucial indicator of food spoilage, this work is therefore an important first step towards a real-time compact sensor technology, both for food quality control applications as well as environmental and biomedical ones.; Ce travail de thèse présente un capteur de gaz photoacoustique aux fréquences THz utilisé pour surveiller les composés organiques volatils (COV) dans les emballages alimentaires. Ce capteur de gaz est fabriqué sur un guide d'onde THz à faible perte en silicium à haute résistivité (HR-Si). La conception, l'analyse modale et les pertes de propagation du guide d'onde Si suspendu sont discutées en détail. Des pertes très compétitives ne dépassant pas 0,6 dB/cm dans cette bande ont été mesurées. Trois résonateurs différents : photonique, acoustique et mécanique sont à l'origine de la conception des capteurs de gaz. Ils permettent d'amplifier le signal photoacoustique détecté et de réduire la limite de détection minimale du capteur de gaz. Des cavités cristaux photoniques (PhC) représentant le résonateur photonique THz sont créées au-dessus du guide d'onde Si. L'optimisation du design et les caractérisations expérimentales de plusieurs cavités PhC THz sont présentées dans ce travail. Cela a conduit à une cavité PhC à 640 GHz avec un facteur Q record de 18000.Un trou central de la cavité PhC se comporte comme un résonateur acoustique. Il est recouvert d'une membrane de silicium polycristallin (Poly-Si) sous contrainte qui correspond au résonateur mécanique. Une analyse analytique et des mesures de caractérisation expérimentales sont effectuées pour étudier ces résonateurs acoustomécaniques. La combinaison des réalisations ci-dessus nous a permis de démontrer la première détection photoacoustique THz de faibles concentrations (200 ppm) de molécules H2S sur une plateforme intégrable. Le H2S étant un indicateur crucial de la dégradation alimentaire, ce travail est donc un premier pas important vers une technologie de capteur compact, temps réel, à la fois pour des applications de contrôle de qualité alimentaire et des applications environnementales et biomédicales.

We present the generation of multimode continuous-variable entangled states featuring spatio-spectral correlations at a repetition rate of 156 MHz via a single-pass and non-collinear spontaneous parametric down conversion (SPDC) process in a bulk BBO crystal pumped by an optical frequency comb. The states are building blocks of highly entangled states called dual-rail cluster states and are useful for measurement-based quantum computation. It is a protocol for quantum information based on the successive measurement of the modes of a cluster state. We characterize the states generated in our experiment with a mode-selective homodyne detection where we shape the spectrum and spatial profile of a reference beam to unveil the multimode structure of the parametric light. This way, we measured squeezing in several spectral modes and and revealed non-classical correlations between spatio-spectral modes. Because of the configuration of the parametric process, the states generated are highly multimode both spatially and spectrally and they display a low level of squeezing par mode, i.e. just above the resolution of our homodyne detector. As squeezing is an important resource for measurement-based quantum computation, we decided to develop a new SPDC setup based on wavguides of periodically-poled KTP to replace the bulk BBO crystal. Thanks to the increased nonlinearity, light confinement inside the waveguide and the use of quasi-phase matching, the squeezing per mode of the generated states should be increased. In the meantime, we developed a wideband homodyne detector operating with pulsed light in order to perform pulse-by-pulse homodyne measurements., Nous présentons la génération d'états intriqués en variables continues multimodes présentant des corrélations spatio-spectrales non classiques. Ces états sont produits à un taux de 156 MHz par génération paramétrique spontanée (SPDC) en simple-passage dans un cristal de bêta-barium borate (BBO) pompé par un peigne de fréquences optiques et suivant une configuration non-colinéaire. Les états produits sont les briques élémentaires d'états quantiques hautement intriqués appelés états cluster en rail, essentiels à la mise en place de protocole de calcul quantique basé sur la mesure successive des modes d'un cluster (MBQC). Nous caractérisons les états par avec une détection homodyne mode-sélective pour mettre en évidence la structure multimode de la lumière paramétrique. En raison de la configuration de l'expérience, les états générés sont hautement multimodes spatialement et spectralement et présentent un faible niveau de squeezing par mode, i.e. juste au dessus de la résolution de notre détecteur. Comme le squeezing est une ressource importante pour la MBQC, nous avons développé un nouveau montage de SPDC avec des guides d'onde en titanyl phosphate de potassium de nonlinéarité périodiquement inversée (PPKTP) pour remplacer le cristal de BBO. Grâce à la nonlinéarité plus élevée du KTP, le confinement de la lumière dans le guide et l'emploi de la technique de quasi-phase matching, le niveau de squeezing par mode devrait être augmenté. Dans le même temps, nous avons travaillé à développer un détecteur homodyne de grande bande passante fonctionnant avec de la lumière pulsée, afin de pouvoir effectuer des mesures homodynes impulsion par impulsion.

National audience; Dans cet exposé, je présenterai des modèles numériques développés pour des applications decontrôle non-destructif dans le génie civil. Les problèmes étudiés portent sur la dynamique hautesfréquences de structures élancées (guides d’ondes, structures courbes), enfouies dans une matriceélastique infinie. Ces problèmes sont coûteux à résoudre numériquement, en raison d’une part ducaractère allongé des structures. D’autre part à cause du milieu environnant : le problème est non-borné.L’approche retenue combine approche semi-analytique, éléments finis et coucheparfaitement adaptée (PML).Je détaillerai particulièrement un modèle de sphère élastique enfouie. Le comportement angulairede la solution est décrit analytiquement en ayant recours aux propriétés d’orthogonalité vectorielleet tensorielle des harmoniques sphériques. La direction radiale est bornée par une PML, et lasolution radiale est approximée par éléments finis. Cette approche permet d’aboutir à un systèmeaux valeurs propres linéaire et de petite taille. Pour des fréquences élevées, des modes à facteur dequalité élevé (analogues aux modes de galerie optique) sont identifiés. Par ailleurs, dessuperpositions modales sont utilisées pour reconstituer la propagation d’une onde de Rayleigh ensurface de la sphère. L’existence de modes de galerie et de l’onde de Rayleigh permet d’envisager laconception de capteurs noyés, capables de mesurer des propriétés mécaniques de la matriceenvironnant la sphère.Je présenterai ensuite un modèle semi-analytique de guide d’onde élastique enfoui et endommagé.Des sources et des défauts peuvent être modélisés via des superpositions modales. Cependant, lanature de la base modale est compliquée en raison du caractère non-borné du problème. Cet aspectest discuté du point de vue mathématique (théorème des résidus, analyse complexe) et numérique(étude de convergence, troncature modale). J’utilise ensuite ce modèle de guide d’onde poursimuler l’identification de défauts par imagerie topologique. L’image des défauts est obtenue grâceà une fonction d’imagerie (gradient topologique), calculée à partir des champs direct et adjoint. Lechamp direct correspond au champ qui se propage dans le guide en l’absence de défaut. Le champadjoint correspond à la rétropropagation du champ mesuré dans le même guide. Les champs directet adjoint sont ainsi solution d’un problème de réponse forcée. Le champ mesuré est simulé enincluant un modèle de diffraction. A partir de résultats préliminaires, je discuterai de l’influence dunombre de modes et des configurations de mesure sur la qualité de l’image obtenue.En conclusion, j’évoquerai la versatilité des approches semi-analytiques, applicables à denombreuses géométries (plaques, cylindres, câbles, structures périodiques, de longueur finie…). Jereviendrai également sur l’intérêt de développer des méthodes opérationnelles d’imagerie pour cetype de structures.

The mid-infrared region of the electromagnetic spectrum is very attractive for various applications, including safety and defence. However, most of the mature sources do not meet every need regarding efficiency, compactness and wavelength range. The detection of these wavelengths is also limited by the performances of the detectors, which are noisier than visible sensors. Both of these topics can benefit from nonlinear optics and its wavelength conversion potential. By exploiting in particular second-order nonlinear interactions as well as the properties of some semiconductor materials for guided frequency conversion, this work prepares the integration of future components in the mid-infrared.The first part of this thesis focuses on the design and characterisation of orientation-patterned gallium arsenide (OP-GaAs) waveguides for broadband mid-infrared generation. These structures should be adapted to fiber coupling around 3 µm and have low losses. The second part aims at designing and fabricating orientation-patterned gallium phosphide (OP-GaP) waveguides to convert infrared light towards visible wavelengths, and more specifically for frequency doubling at 1.5 µm. Our main goal with these new components is to find a design suitable to these applications and compatible with the technological restrictions linked to fabrication.The work has led to the fabrication of OP-GaAs waveguides demonstrating a state-of-the-art level of losses in the mid-infrared as well as a potential for broadband generation. They also allowed the observation of parametric generation. These first characterisations resulted in the design of new components that are better adapted to our experimental requirements. On the other hand, various options have been explored to develop the fabrication steps of OP-GaP waveguides. Several technological barriers related to the fabrication of orientation-patterned guiding structures in this material have been lifted, thus leading to the development of different devices, in which we observed phase-matched second harmonic generation.; L’infrarouge moyen est une zone du spectre électromagnétique indispensable à de nombreuses applications, notamment dans le domaine de la sécurité et de la défense. Néanmoins, la plupart des sources matures ne couvrent pas tous les besoins en termes d’efficacité, de compacité ou de plage de longueurs d’onde. La détection dans cette même gamme du spectre électromagnétique est également limitée par les performances des détecteurs qui sont plus bruités ou coûteux que leurs équivalents visibles. Ces deux thématiques peuvent s’appuyer sur l’optique non-linéaire et ses capacités de transposition de longueurs d’onde. En exploitant en particulier les phénomènes non-linéaires du second ordre ainsi que les propriétés de certains matériaux semiconducteurs pour recourir à la conversion de fréquence en configuration guidée, ce travail prépare l’intégration de futurs composants pour le moyen-infrarouge.Le premier volet de la thèse est axé sur la conception et la caractérisation de guides d’onde à orientation périodique en arséniure de gallium (OP-GaAs) pour la génération de spectres larges dans le moyen-infrarouge, adaptés à un couplage fibré autour de 3 µm et présentant de faibles pertes. Le second vise la conception et la fabrication de guides d’onde à orientation périodique en phosphure de gallium (OP-GaP) pour la conversion de signaux infrarouges vers le visible et plus particulièrement le doublage de fréquence à 1,5 µm. Pour ces nouveaux composants, notre premier objectif est de trouver des géométries de guides compatibles avec ces applications et avec les contraintes technologiques de fabrication. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont mené à la fabrication de guides d’onde OP-GaAs montrant un niveau de pertes dans le moyen-infrarouge à l’état de l’art ainsi qu’un potentiel de génération de spectres larges, dans lesquels de la génération paramétrique a pu être observée. Ces premières caractérisations ont permis la conception de nouveaux composants mieux adaptés à nos conditions expérimentales. D’autre part, diverses pistes ont été explorées pour mettre au point les étapes de fabrication de guides d’onde OP-GaP. Celles-ci ont permis de lever plusieurs verrous liés à la fabrication de structures guidantes à orientation périodique dans ce matériau et ont abouti au développement de différents composants dans lesquels de la génération de second harmonique accordée en phase a pu être observée.

Lab-on-a-chip (or LOC) devices scale down the laboratory processes for detecting illnesses and monitoring sick patients without the need of medical laboratories. These criteria are made possible with a transducer that can convert the biological presence of the target molecule into electrical information. Since the early 2000s, integrated photonics have offered a possible solution for a transducer compatible with LOC needs. In particular, silicon micro-ring resonators represent a compact and sensitive choice to use as a transducer in LOC devices. In agreement with the requirements of LOC devices, the objective of this project is to design and assess the performance of a compact photonic biosensor. The system will be based on integrated photonic transduction. The requirements are that it is compatible with an industrial fabrication platform and fluidic systems, with a sensitivity equal to or higher than the state-of-the-art and simple to functionalize in order to localize the target molecules in the sensitive regions of the sensor. This project details the design, fabrication, and characterization of such a biosensor. In particular, the photonic biosensor is a ring resonators with a Hybrid Plasmonic Waveguide (HPWG) cross-section that fulfills the LOC requirements.; Le contexte de ce projet de doctorat celui des biocapteurs. Le but final est d’avoir un dispositif portable, composé par une partie jetable, capable de détecter des concentrations très faibles d’un analyte spécifique, à bon marché et compacte, que les médecins peuvent utiliser dans l’hôpital où chez les patients, sans avoir besoin d’un laboratoire entier. Les analytes peuvent être plusieurs (à partir de l’ADN pour la détection de maladies génétiques où des cellules cancéreuses pour la détection précoce du cancer). Cet objectif est possible seulement avec un transducteur qui arrive à convertir efficacement la présence biologique de l’analyte en information électrique. Le transducteur est dans le domaine de la photonique. On combine deux types de guides d’onde, un de type "ridge" diélectrique et un autre métallique, pour en créer un hybride qu’associe les faibles pertes d’une à la sensibilité de l’autre. L’élément innovant est la géométrie de ce guide hybride (Hybrid Plasmonic WaveGuide). Ce memoire explore l'étude theorique, les simulaiton, la fabbrication en salle blanche et la characterization des dispositifs hybride plasmoniques.

Lab-on-a-chip (or LOC) devices scale down the laboratory processes for detecting illnesses and monitoring sick patients without the need of medical laboratories. These criteria are made possible with a transducer that can convert the biological presence of the target molecule into electrical information. Since the early 2000s, integrated photonics have offered a possible solution for a transducer compatible with LOC needs. In particular, silicon micro-ring resonators represent a compact and sensitive choice to use as a transducer in LOC devices. In agreement with the requirements of LOC devices, the objective of this project is to design and assess the performance of a compact photonic biosensor. The system will be based on integrated photonic transduction. The requirements are that it is compatible with an industrial fabrication platform and fluidic systems, with a sensitivity equal to or higher than the state-of-the-art and simple to functionalize in order to localize the target molecules in the sensitive regions of the sensor. This project details the design, fabrication, and characterization of such a biosensor. In particular, the photonic biosensor is a ring resonators with a Hybrid Plasmonic Waveguide (HPWG) cross-section that fulfills the LOC requirements.; Le contexte de ce projet de doctorat celui des biocapteurs. Le but final est d’avoir un dispositif portable, composé par une partie jetable, capable de détecter des concentrations très faibles d’un analyte spécifique, à bon marché et compacte, que les médecins peuvent utiliser dans l’hôpital où chez les patients, sans avoir besoin d’un laboratoire entier. Les analytes peuvent être plusieurs (à partir de l’ADN pour la détection de maladies génétiques où des cellules cancéreuses pour la détection précoce du cancer). Cet objectif est possible seulement avec un transducteur qui arrive à convertir efficacement la présence biologique de l’analyte en information électrique. Le transducteur est dans le domaine de la photonique. On combine deux types de guides d’onde, un de type "ridge" diélectrique et un autre métallique, pour en créer un hybride qu’associe les faibles pertes d’une à la sensibilité de l’autre. L’élément innovant est la géométrie de ce guide hybride (Hybrid Plasmonic WaveGuide). Ce memoire explore l'étude theorique, les simulaiton, la fabbrication en salle blanche et la characterization des dispositifs hybride plasmoniques.

This work aims to build up a compact easily-implemented terahertz wave-guided reflectometry (TGR) system by taking advantage of the terahertz transceiver and waveguides for diverse applications. Compared to conventional systems using a quasi-optical method, the new concept has a much simpler configuration and allows for remote probing applications. After reviews on the development of terahertz technology, an optical-pumped double-PCA transceiver and two frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar transceivers together with hollow-core thin-wall waveguides are selected to implement the first TGR system in pulse mode and in FMCW mode. Both experiments and 3D full-wave simulation are exploited to investigate the propagation behaviors of waves inside the system and to evaluate the system performance. The created TGR systems are demonstrated for imaging and sensing purposes. Thanks to the guiding capacity of the waveguide, these setups show potential in some difficult measurement conditions, such as in a narrow semi-enclosed environment or the liquid. In particular, the solid immersion lens inserted at the end of the waveguide has been proved as an efficient method to enhance the imaging capacity of the TGR system in FMCW mode, giving rise to a subwavelength resolution at the frequency band around 100 GHz. In addition to the studies of TGR systems, an on-wafer reflectometry system exploiting optical-pumped sources is as well proposed to benefit from the wide frequency band of photonic sources. As the first attempt, RF probes in association with double-PCA transceiver are used to deliver the pulse signal into samples on-wafer and the obtained time signals are analyzed. More propositions are given to push further up this study.; Ce travail vise à construire un système compact et facile à mettre en œuvre de réflectométrie guidée par ondes térahertz (TGR) en tirant parti de l'émetteur-récepteur térahertz et des guides d'ondes pour diverses applications. Par rapport aux systèmes conventionnels utilisant une méthode quasi-optique, le nouveau concept a une configuration beaucoup plus simple et permet des applications de sondage à distance. Après des études sur le développement de la technologie térahertz, un émetteur-récepteur à double ACP à pompage optique et deux émetteurs-récepteurs radar à ondes continues modulées en fréquence (FMCW) ainsi que des guides d'ondes à parois minces à noyau creux sont sélectionnés pour mettre en œuvre le premier système TGR en mode impulsionnel et en mode FMCW. Les deux expériences et la simulation 3D pleine onde sont exploitées pour étudier les comportements de propagation des ondes à l'intérieur du système et pour évaluer les performances du système. Les systèmes TGR créés font l'objet d'une démonstration à des fins d'imagerie et de détection. Grâce à la capacité de guidage du guide d'ondes, ces installations présentent un potentiel dans certaines conditions de mesure difficiles, comme dans un environnement étroit et semi-fermé ou dans le liquide. En particulier, la lentille d'immersion solide insérée à l'extrémité du guide d'ondes s'est avérée être une méthode efficace pour améliorer la capacité d'imagerie du système TGR en mode FMCW, donnant lieu à une résolution de sous-longueur d'onde dans la bande de fréquences autour de 100 GHz. En plus des études sur les systèmes TGR, un système de réflectométrie sur plaquette exploitant des sources à pompage optique est également proposé pour bénéficier de la large bande de fréquences des sources photoniques. Comme première tentative, des sondes RF associées à un émetteur-récepteur à double ACP sont utilisées pour délivrer le signal d'impulsion dans des échantillons sur la tranche et les signaux temporels obtenus sont analysés. D'autres propositions sont faites pour pousser plus loin cette étude.

This work aims to build up a compact easily-implemented terahertz wave-guided reflectometry (TGR) system by taking advantage of the terahertz transceiver and waveguides for diverse applications. Compared to conventional systems using a quasi-optical method, the new concept has a much simpler configuration and allows for remote probing applications.After reviews on the development of terahertz technology, an optical-pumped double-PCA transceiver and two frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar transceivers together with hollow-core thin-wall waveguides are selected to implement the first TGR system in pulse mode and in FMCW mode. Both experiments and 3D full-wave simulation are exploited to investigate the propagation behaviors of waves inside the system and to evaluate the system performance. The created TGR systems are demonstrated for imaging and sensing purposes. Thanks to the guiding capacity of the waveguide, these setups show potential in some difficult measurement conditions, such as in a narrow semi-enclosed environment or the liquid. In particular, the solid immersion lens inserted at the end of the waveguide has been proved as an efficient method to enhance the imaging capacity of the TGR system in FMCW mode, giving rise to a subwavelength resolution at the frequency band around 100 GHz.In addition to the studies of TGR systems, an on-wafer reflectometry system exploiting optical-pumped sources is as well proposed to benefit from the wide frequency band of photonic sources. As the first attempt, RF probes in association with double-PCA transceiver are used to deliver the pulse signal into samples on-wafer and the obtained time signals are analyzed. More propositions are given to push further up this study.; Ce travail vise à construire un système compact et facile à mettre en œuvre de réflectométrie guidée par ondes térahertz (TGR) en tirant parti de l'émetteur-récepteur térahertz et des guides d'ondes pour diverses applications. Par rapport aux systèmes conventionnels utilisant une méthode quasi-optique, le nouveau concept a une configuration beaucoup plus simple et permet des applications de sondage à distance.Après des études sur le développement de la technologie térahertz, un émetteur-récepteur à double ACP à pompage optique et deux émetteurs-récepteurs radar à ondes continues modulées en fréquence (FMCW) ainsi que des guides d'ondes à parois minces à noyau creux sont sélectionnés pour mettre en œuvre le premier système TGR en mode impulsionnel et en mode FMCW. Les deux expériences et la simulation 3D pleine onde sont exploitées pour étudier les comportements de propagation des ondes à l'intérieur du système et pour évaluer les performances du système. Les systèmes TGR créés font l'objet d'une démonstration à des fins d'imagerie et de détection. Grâce à la capacité de guidage du guide d'ondes, ces installations présentent un potentiel dans certaines conditions de mesure difficiles, comme dans un environnement étroit et semi-fermé ou dans le liquide. En particulier, la lentille d'immersion solide insérée à l'extrémité du guide d'ondes s'est avérée être une méthode efficace pour améliorer la capacité d'imagerie du système TGR en mode FMCW, donnant lieu à une résolution de sous-longueur d'onde dans la bande de fréquences autour de 100 GHz.En plus des études sur les systèmes TGR, un système de réflectométrie sur plaquette exploitant des sources à pompage optique est également proposé pour bénéficier de la large bande de fréquences des sources photoniques. Comme première tentative, des sondes RF associées à un émetteur-récepteur à double ACP sont utilisées pour délivrer le signal d'impulsion dans des échantillons sur la tranche et les signaux temporels obtenus sont analysés. D'autres propositions sont faites pour pousser plus loin cette étude.

In a time where computing resources and telecommunications requirements are exploding all around the world, the microelectronics industry has undertook over the past decade a major turnaround in their course to keep answering to the emerging technological needs of our societies. One of the ways undertaken is based on integrated photonics, which in particular requires the development of robust and energy efficient light sources at the nanoscale, with advanced optical functionalities. In this thesis, we propose a new concept of laser source emitting at 1550 nm, based on a system composed with two identical active optical nanocavities made of photonic crystal, coupled evanescently to a common waveguide. The coupling phase is then directly controlled by their relative distance. This system is fabricated by bonding a heterostructure of quantum wells in III-V semiconductor on an optical silicon circuit, followed by an electronic lithography and an ICP etching. In the context of an identical pumping, we thus demonstrated theoretically and experimentally the existence of two symmetrical and anti-symmetrical coupled modes, characterized by a splitting both in losses and in energy. The existence of a dark mode has also been predicted, which blocks the emission in the waveguide at particular coupling phases. More generally, the emission characteristics of this system allow us to assimilate it to a single effective cavity, whose the laser properties are modulated by the coupling phase. These can in particular be improved near the dark mode. The general exploration of this system finally opens the way to many other studies, based for instance on the variation of the pumping configuration and / or the coupling configuration of these cavities. In this context, other effects were observed, such as a directional emission in the waveguide, and the cancelling of this emission related to the presence of an exceptional point.; A l'heure de l'explosion des besoins en ressources de calcul et du volume des télécommunications dans le monde, l'industrie de la micro-électronique a engagé un changement de cap au cours de la dernière décennie, afin de pouvoir continuer à répondre aux besoins technologiques émergents de nos sociétés. L'une des voies entreprises repose sur la photonique intégrée, qui requiert notamment le développement de nanosources de lumière robustes et efficaces énergétiquement, et présentant des fonctionnalités optiques avancées. Nous proposons dans cette thèse un nouveau concept de nanosource laser émettant à 1550 nm, reposant sur un système de deux nanocavités optiques actives identiques en cristal photonique, couplées de façon évanescente à un même guide d'onde. La phase de couplage est alors directement contrôlée par leur distance relative. Ce système est fabriqué par l'adhésion d'une hétérostructure de puits quantiques en semiconducteur III-V sur une circuiterie optique en silicium, suivie d'une lithographie électronique et d'une gravure ICP. Dans le cadre d'un pompage identique, nous avons ainsi démontré théoriquement et expérimentalement l'existence de deux modes couplés symétrique et anti-symétrique, caractérisés par une séparation à la fois en pertes et en énergie. L'existence d'un mode sombre a également été prédite, et se manifeste par un blocage de l'émission pour certaines phases de couplage. Plus généralement, les caractéristiques de l'émission de ce système permettent de l'assimiler à une cavité unique effective, dont les propriétés laser sont modulées par la phase de couplage. Celles-ci peuvent notamment être améliorées à proximité du mode sombre. L'exploration générale de ce type de système ouvre finalement la voie à de nombreuses autres études, basées par exemple sur la variation de la configuration de pompage et/ou la configuration de couplage de ces cavités. Dans ce contexte, d'autres effets ont été observés, comme la directivité de l'émission dans le guide, et la manifestation d'un point exceptionnel induisant une extinction de l'émission.

In a time where computing resources and telecommunications requirements are exploding all around the world, the microelectronics industry has undertook over the past decade a major turnaround in their course to keep answering to the emerging technological needs of our societies. One of the ways undertaken is based on integrated photonics, which in particular requires the development of robust and energy efficient light sources at the nanoscale, with advanced optical functionalities. In this thesis, we propose a new concept of laser source emitting at 1550 nm, based on a system composed with two identical active optical nanocavities made of photonic crystal, coupled evanescently to a common waveguide. The coupling phase is then directly controlled by their relative distance. This system is fabricated by bonding a heterostructure of quantum wells in III-V semiconductor on an optical silicon circuit, followed by an electronic lithography and an ICP etching. In the context of an identical pumping, we thus demonstrated theoretically and experimentally the existence of two symmetrical and anti-symmetrical coupled modes, characterized by a splitting both in losses and in energy. The existence of a dark mode has also been predicted, which blocks the emission in the waveguide at particular coupling phases. More generally, the emission characteristics of this system allow us to assimilate it to a single effective cavity, whose the laser properties are modulated by the coupling phase. These can in particular be improved near the dark mode. The general exploration of this system finally opens the way to many other studies, based for instance on the variation of the pumping configuration and / or the coupling configuration of these cavities. In this context, other effects were observed, such as a directional emission in the waveguide, and the cancelling of this emission related to the presence of an exceptional point.; A l'heure de l'explosion des besoins en ressources de calcul et du volume des télécommunications dans le monde, l'industrie de la micro-électronique a engagé un changement de cap au cours de la dernière décennie, afin de pouvoir continuer à répondre aux besoins technologiques émergents de nos sociétés. L'une des voies entreprises repose sur la photonique intégrée, qui requiert notamment le développement de nanosources de lumière robustes et efficaces énergétiquement, et présentant des fonctionnalités optiques avancées. Nous proposons dans cette thèse un nouveau concept de nanosource laser émettant à 1550 nm, reposant sur un système de deux nanocavités optiques actives identiques en cristal photonique, couplées de façon évanescente à un même guide d'onde. La phase de couplage est alors directement contrôlée par leur distance relative. Ce système est fabriqué par l'adhésion d'une hétérostructure de puits quantiques en semiconducteur III-V sur une circuiterie optique en silicium, suivie d'une lithographie électronique et d'une gravure ICP. Dans le cadre d'un pompage identique, nous avons ainsi démontré théoriquement et expérimentalement l'existence de deux modes couplés symétrique et anti-symétrique, caractérisés par une séparation à la fois en pertes et en énergie. L'existence d'un mode sombre a également été prédite, et se manifeste par un blocage de l'émission pour certaines phases de couplage. Plus généralement, les caractéristiques de l'émission de ce système permettent de l'assimiler à une cavité unique effective, dont les propriétés laser sont modulées par la phase de couplage. Celles-ci peuvent notamment être améliorées à proximité du mode sombre. L'exploration générale de ce type de système ouvre finalement la voie à de nombreuses autres études, basées par exemple sur la variation de la configuration de pompage et/ou la configuration de couplage de ces cavités. Dans ce contexte, d'autres effets ont été observés, comme la directivité de l'émission dans le guide, et la manifestation d'un point exceptionnel induisant une extinction de l'émission.

In shallow waters, the fluctuations of the water surface greatly affects the performances of underwater acoustic arrays. The goal of this thesis is to use tomography to detect, localise and estimate a travelling surface wave on the surface of an ultrasonic waveguide.The frame of this work is a small scale experiment. Two emitting and receiving arrays facing each other at each end of the waveguide create a acoustic pressure field of central frequency f=1 MHz which is projected on the basis of the eigenbeams using double beamforming performed simultaneously on the emission and on the reception. Each one of these eigenbeams is defined by four observables : the acoustic travel-time, the amplitude of the signal and the emitting and receiving angles. The Sensitivity Kernel (SK) approach allows to link the acoustic observables with the local displacement of the surface.The Bayesian inversion of the SK allows to accurately monitor and estimate the propagation and decay of a wave caused by a point excitation of the surface of the waveguide. Different energies of excitations are used, generating gravity-capillary waves of heights ranging from 0.01 mm to 1 mm. Optical measurements validate the estimation of the water displacement height., En eaux peu profondes, les fluctuations de la surface de l'eau dégradent fortement les performances des antennes acoustiques sous marines. L'objectif de cette thèse est la détection, localisation et estimation, par tomographie acoustique océanique, d'une vague se propageant à la surface d'un guide d'onde fluide ultrasonore.Ces travaux se placent dans un cadre expérimental à petite échelle. Un couple d'antennes émettrice et réceptrice disposées de part et d'autre du guide d'onde crée un champ de pression acoustique de fréquence centrale f=1 MHz qui est projeté sur la base des faisceaux propres par une double formation de voies effectuée simultanément à l'émission et à la réception.Chacun de ces faisceaux propres est caractérisé par quatres observables : le temps de propagation, l'amplitude du signal transmis et les angles d'émission et de réception. La méthode des Noyaux de Sensibilité (NS) permet de relier ces observables acoustiques au déplacement local de la surface.L'inversion Bayesienne des NS permet un suivi précis de la propagation et la décroissance d'une vague causée par une excitation ponctuelle de la surface du guide d'onde. Différentes énergies d'excitation sont utilisées, causant des vagues gravito-capillaires de hauteur allant de 0.01 mm à 1 mm. Des mesures optiques valident l'estimation de la hauteur du déplacement d'eau.

In this thesis we study the interaction of light with the environment at the nanoscale. Fluorescent emitters are ideal candidates to probe this interaction because their emission properties strongly depend on the surrounding environment. The emitters’ decay rate is directly linked to the local density of electromagnetic states, which is therefore the most appropriate parameter to quantify the interactions with the environment.This thesis is organized into two parts. The first one concerns the development and the implementation of a wide-field super-resolved lifetime microscopy technique at the single molecule level. This technique is based on the simultaneous measurement of single-molecules’ decay rate with a linear matrix of single photon detectors and of their position with an amplified camera. Experimental results obtained in the near-field of a silver nanowire are analyzed and compared with numerical simulations. Such comparison provides the evidence of the plasmonic mirage effect induced by the presence of the nanowire. Moreover we show that, by making a selection on the measured decay rate and on the size of the corresponding point spread function, it is possible to deduce the orientation of the molecular dipole moments and their real position on the sample.The second part of this thesis is focused on the study of nanostructured optical waveguides. We report on the measurement, performed with a fluorescent scanning near-field microscope, of the field generated around a tapered silica nanofiber by a collimated beam perpendicular to it. The results are in very good agreement with numerical simulations based on Mie theory. We also study a dielectric/plasmonic hybrid waveguide. A plasmonic nanoantenna fabricated on top of a dielectric optical waveguide enhances the coupling of the emission of a fluorescent emitter to the guided mode. The design and fabrication of an optimized device are achieved thanks to numerical simulations. An experimental approach is also proposed to characterize this device.; Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés à l’interaction de la lumière avec l’environnement aux échelles nanométriques. Les candidats idéaux pour sonder cette interaction en nanophotonique sont les émetteurs fluorescents car leurs propriétés d’émission sont fortement dépendantes de l’environnement qui les entoure. Le taux d’émission spontanée de ces émetteurs donne notamment une mesure directe de la densité d’états électromagnétiques et constitue à ce titre le paramètre le plus adéquat pour rendre compte de ces interactions.Cette thèse est organisée en deux parties. La première porte sur le développement et l’utilisation d’une technique de microscopie super-résolue en champ large du taux de désexcitation de molécules uniques. Cette technique se base sur la mesure simultanée du taux de désexcitation de chaque molécule par une matrice linéaire de détecteurs de photons uniques et de leur position par une caméra amplifiée. Les résultats expérimentaux obtenus en champ proche d’un nanofil d’argent ont été analysés et comparés à des simulations numériques. Grâce à cette analyse, l’effet de mirage plasmonique induit par le nanofil a pu être mis en évidence. De plus, en effectuant une sélection sur le taux d’émission spontanée mesuré pour chaque molécule et la taille de la tache de diffraction correspondante, il a été possible de déduire l’orientation du moment dipolaire des molécules et leur position réelle sur l’échantillon.La seconde partie de cette thèse a été consacrée à l’étude de guides d’ondes optiques nanostructurés. En particulier, l’influence d’une nanofibre en silice sur la distribution d’un champ optique généré par un faisceau laser collimaté a été mise en évidence expérimentalement grâce à une sonde fluorescente à balayage. Les données recueillies sont en très bon accord avec des simulations basées sur la théorie de Mie. De plus, une structure de guide d’ondes hybride diélectrique/plasmonique a été étudiée. Cette structure a pour objectif d’optimiser le couplage de la fluorescence d’un émetteur fluorescent dans un guide d’onde optique diélectrique par l’intermédiaire d’une antenne plasmonique. Des simulations ont permis d’aboutir à un design ainsi qu’à la réalisation d’un premier échantillon. Une approche expérimentale est également proposée pour la caractérisation de ce dispositif optique.

Photoluminescent materials are playing a major role in applications related to photonics, optoelectronics or lighting. Combining them with polymers allows the design of easy-to-shape-functional materials with enhanced application versatility. Related to this, hybrid materials composed of an organic polymer matrix containing strongly luminescent octahedral metal clusters were prepared. Octahedral metal clusters have several advantages: a deep luminescence in the red and the near-IR region, a high quantum yield, a large Stokes shift and no photobleaching or photoblinking effects. As organic host matrices, PMMA and PDMS were used because of their optical and mechanical properties in addition to their thermal stability. However, a prerequisite for realizing hybrid materials is to homogeneously introduce the ceramic inorganic emitter in the organic polymer to avoid segregation-phase phenomena. For this purpose, several integration approaches were developed to prepare new hybrid materials. Meanwhile, spectroscopic analysis were performed on these hybrids demonstrating their huge potential. Actually, these hybrids were used to design a self-erasable inkless light-imprinting material when the hybrid is combined with an organic fluorophore, and 1D- and 2D-waveguides. The 1D-waveguides can be applied for integrated photonics while 2D-waveguides combined with liquid-crystals lead to a new luminescent PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) material for Luminescent Solar Concentrator technology., Les matériaux photoluminescents ont un rôle important dans les applications liées à la photonique, l'optoélectronique ou l'éclairage. Leur combinaison avec des polymères conduit à des matériaux fonctionnels polyvalents faciles à mettre en forme. Dans ce contexte, des matériaux hybrides composés d'une matrice organique contenant des clusters métalliques octaédriques fortement luminescents ont été préparés. Ces luminophores présentent plusieurs avantages : une forte luminescence dans le rouge et le proche-IR, un rendement quantique élevé, un large décalage de Stokes et aucun effet de photoblanchiment ou de photoscintillement. Comme matrice hôte, le PMMA et le PDMS ont été utilisés en raison de leurs propriétés optiques, mécaniques et leur stabilité thermique. Cependant, une condition nécessaire pour réaliser les matériaux hybrides est d'introduire de manière homogène l'émetteur inorganique dans le polymère organique afin d'éviter les phénomènes de ségrégations. Pour cela, plusieurs approches d'intégration ont été développées. Les analyses spectroscopiques effectuées sur ces hybrides ont montré leur grand potentiel d’applications. Ceux-ci ont été utilisés pour concevoir un matériau imprimable à la lumière, sans encre et auto-effaçable, lorsque qu’il est combiné à un fluorophore organique ; ainsi que pour l’élaboration de guides d’ondes 1D et 2D. Les guides 1D peuvent être appliqués en photonique intégrée, tandis que les guides 2D combinés à des cristaux liquides conduisent à un nouveau matériau PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) applicable pour des concentrateurs solaires luminescents.

Since the 1980s, researchers have been trying to design so-called "optical" computers, in which electrical signals would be replaced by photonic signals. For this, it is necessary to look at interconnection problems between components. This thesis deals with the problem of optical interconnection between electronic components. In order to propose a solution to this problem, we will study two types of plasmonic structures, a first structure of a single solid block where the information wave is reflected on an air prism, this structure is composed of a guide of metal wave covered with a layer of photoresist and it is named "ultra-long-distance plasmonic guide" (ULR-SPP). The second structure is based on a flexible interconnection where the information flows along a flexible guide, this type of wave is called "PlasArc". Through a numerical simulation chapter, we will determine the dimensional characteristics in order to minimize the energy losses by propagation of our waveguides in each of the structures. All our simulations are performed in the waveband of telecom signals. Then, we present the fabrication of two types of plasmonic waveguides as well as their specificities of realization namely a deep etching of 60 μm for ULRSPP structures and the removal of a solid substrate for waveguide named "PlasArc". The characterization of structures will be realized by distinct methods (cut-back, measurements of the loss by propagation along the guide, size of the mode obtained at the end of the guide, ...) on sizes of samples that can go from 5 mm to several centimeters in length. A study of the loss according to the radius of curvature is established on plasmonic waveguides of "PlasArc" type, Depuis les années 1980, les chercheurs essayent de concevoir des ordinateurs dits « optiques », au sein desquels les signaux électriques seraient remplacés par des signaux photoniques. Pour cela, il est nécessaire de s’intéresser aux problèmes d’interconnexions entre les composants. Cette thèse porte sur la problématique de l’interconnexion optique entre composants électroniques. Afin de proposer une solution à cette problématique, nous étudierons deux types de structures plasmoniques, une première structure d’un seul bloc solide où l’onde d’information est réfléchie sur un prisme d’air, cette structure est composée d’un guide d’onde métallique recouverte d’une couche de photoresist et elle est nommée « guide plasmonique à ultra longue distance » (ULR-SPP). La seconde structure est basée sur une interconnexion flexible où l’information circule le longue d’un guide souple, ce type d’onde est qualifié de « PlasArc ». Au travers d’un chapitre de simulation numérique, nous déterminerons les caractéristiques dimensionnelles afin de minimiser les pertes d’énergies par propagations de nos guides d’ondes dans chacune des structures. Toutes nos simulations sont effectuées dans la gamme d’ondes des signaux télécoms. Puis, nous présentons la fabrication de nos deux types de guides d'ondes ainsi que leurs spécificités de réalisation à savoir une gravure profonde sèche de 60 µm pour les structures ULRSPP et le retrait d’un substrat solide pour les guides « PlasArc ». La caractérisation de nos structures seront réalisées par des méthodes distinctes (réduction successive de la longueur des échantillons, mesures de la perte par propagation le long du guide, taille du mode obtenu en bout de guide, …) sur des tailles d’échantillons pouvant aller de 5 mm à plusieurs centimètres de longueurs. Une étude de la perte selon le rayon de courbure est établie sur les guides d’ondes plasmoniques de type « PlasArc »

Direct Laser Writing (DLW) has been an exponentially growing research field during the last two decades, by providing an efficient and robust way to directly address three dimensional (3D) structures in transparent materials such as glasses using femtosecond laser pulses. It exhibits many advantages over lithography technique which is mostly limited to two dimensional (2D) structuring and involves many fabrication steps. This competitive aspect makes the DLW technique suitable for future technological transfer to advanced industrial manufacturing. Generally, DLW in glasses induces physical changes such as permanent local refractive index modifications that have been classified under three distinct types: (Type I, Type II & Type III). In silver containing glasses with embedded silver ions Ag+, DLW induces the creation of fluorescent silver clusters Agmx+ at the vicinity of the interaction voxel. In this work, we present a new type of refractive index change, called type A that is based on the creation of the photo-induced silver clusters allowing the creation of new linear and nonlinear optical waveguides in silver containing glasses. Various waveguides, a 50-50 Y beam splitter, as well as optical couplers, were written based on type A modification inside bulk glasses and further characterized. On the other hand, a comparison study between type A and type I waveguides is presented, showing that finely tuning the laser parameters allows the creation of either type A or type I modification inside silver containing glasses. Finally, based on type A near-surface waveguides, a highly sensitive refractive index sensor is created in a 1 cm glass chip, which could exhibit a pioneer demonstration of double sensing refractive ranges. The waveguiding properties observed and reported in the bulk of such silver containing glasses were transposed to ribbon shaped fibers of the same material. Those results pave the way towards the fabrication of 3D integrated circuits and fiber sensors with original fluorescent, nonlinear and plasmonic properties that are not accessible using the standard type I modification; L'inscription laser directe est un domaine de recherche en croissance depuis ces deux dernières décennies, fournissant un moyen efficace et robuste pour inscrire directement des structures en trois dimensions (3D) dans des matériaux transparents tels que des verres en utilisant des impulsions laser femtosecondes. Cette technique présente de nombreux avantages par rapport à la technique de lithographie, qui se limite à la structuration en deux dimensions (2D) et implique de nombreuses étapes de fabrication. Cela rend la technique d’inscription laser direct bien adaptée aux nouveaux procédés de fabrication. Généralement, l’inscription laser dans les verres induit des changements physiques tels qu'un changement permanent de l'indice de réfraction localisé. Ces modifications ont été classés en trois types distincts : (Type I, Type II et Type III). Dans ce travail, nous présentons un nouveau type de changement d'indice de réfraction, appelé type A qui est basé sur la création d’agrégats d'argent photo-induit. En effet, dans des verres dans lesquels sont incorporés des ions argent Ag+, lors de leurs synthèses, l’inscription laser directe induit la création d’agrégats d’argent fluorescents Agmx+ au voisinage du voxel d’interaction. Ces agrégats modifient localement les propriétés optiques comme : la fluorescence, la non-linéarité et la réponse plasmonique du verre. Ainsi, différents guides d'ondes, un séparateur de faisceau 50-50, ainsi que des coupleurs optiques ont été inscrits en se basant sur ce nouveau Type A et complétement caractérisés. D'autre part, une étude comparative entre les deux types de guides d'ondes (type A et type I) est présentée, tout en montrant qu’en ajustant les paramètres laser, il est possible de déclencher soit le Type I soit le Type A. Enfin, en se basant sur des guides d’ondes de type A inscrits proche de la surface du verre, un capteur d'indice de réfraction hautement sensible a été inscrit dans une lame de verre de 1 cm de long. Ce capteur miniaturisé peut présenter deux fenêtres de détection d’indice, ce qui constitue une première mondiale. Les propriétés des guides d'ondes inscrits dans ces verres massifs ont été transposées à des fibres en forme de ruban, du même matériau contenant de l'argent. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ouvrent la voie à la fabrication de circuits intégrés en 3D et de capteurs à fibre basés sur des propriétés optiques originales inaccessibles avec des guides d’onde de Type I standard.

GdR Mecawave, FREJUS, FRANCE, 06-/11/2018 - 09/11/2018; De nombreux éléments de structures de génie civil sont élancés, et partiellement ou totalement enfouis dans un milieu solide. Pour le contrôle non-destructif par ondes guidées de tels éléments, un enjeu important est de développer une méthode d'imagerie tenant compte à la fois de la complexité de la propagation des ondes guidées - dispersives, multimodales, atténuées par fuite dans le milieu environnant - et de l'accès souvent limité à la structure. En pratique, ceci restreint la configuration de mesure envisageable. Nous appliquons aux guides d'ondes la méthode dite de l'imagerie topologique. Cette méthode repose sur l'évaluation, en tout point du guide d'onde sain (sans défaut), d'une fonction d'imagerie appelée gradient topologique. La représentation spatiale du gradient révèle naturellement l'emplacement des défauts réels. Le calcul du gradient topologique nécessite la simulation de deux champs en guide sain, les champs direct et adjoint, ainsi que la mesure du champ diffracté dans le guide endommagé. Notons qu'en pratique, l'expression du gradient est simplifiée afin d'obtenir rapidement une image, si bien que le gradient n'est plus topologique à proprement parler.L'objectif de cette contribution est de quantifier l'influence sur la qualité de l'image du type de champ émis et des configurations de mesure. Dans un premier temps, nous simulons l'endommagement d'un guide d'onde axisymétrique fermé et viscoélastique (sans milieu environnant), à l'aide de méthodes éléments finis basées sur un formalisme modal. Ce formalisme permet un calcul rapide en tout point du guide sain des champs direct et adjoint. Les données observables sont limitées au champ réfléchi par le défaut mesuré ponctuellement à la surface du guide. La source émettrice considérée est d'abord monomodale puis multimodale. Avec un champ monomodal, le défaut n'est localisé que suivant l'axe du guide. Un champ multimodal permet de localiser le défaut dans la section du guide. Dans ce dernier cas, nous montrons toutefois que des artefacts apparaissent dans l'image en raison des conversions modales dans les champs générés par les sources primaires (excitation) et secondaires (défaut). L'influence de la configuration de mesure sur les artefacts est étudiée. Pour pallier simplement le phénomène, nous proposons de construire une nouvelle image, combinant une image multimodale (2D) avec une image monomodale (1D). Dans un deuxième temps, le cas d'un guide d'onde ouvert (enfoui dans un milieu environnant) est considéré. Nous montrons l'effet de l'atténuation des ondes sur l'image obtenue, ainsi que l'intérêt du formalisme modal utilisé pour un traitement a priori de l'image.

In this thesis, we investigate the optical properties of a six-layer stack (air-Au-SiO₂-Au-Ti-glass). The interfaces are flat and the modeling is performed using elementary Fresnel expressions at the interface and plane wave propagation in the layers. Two models are used where the sample is: i) excited by a source at infinity (excitation by source at infinity (ESI)); ii) excited by a local source. In the experiments we are modeling this source consists of the inelastic tunneling electrons from a scanning tunneling microscope (STM). In our modeling this source is replaced by a vertical oscillating dipole. Using these two models one calculates the reflected (reflectance) and the transmitted (transmittance) flux from a source at infinity and the transmitted flux of a local source. Surface plasmon polariton (SPP) and wave guide (WG) modes may be identified in the reflectance, transmittance and transmitted flux. In a particular wavelength domain the SPP and WG repel each other giving rise to an avoided crossing. The choice of the gold (Au) and silica (SiO₂) thicknesses of the six-layer stack is guided by two requirements: high amplitude of the observable and wide wavelength dependence of the in-plane wave vector. We also study the influence of the gold and silica thicknesses on the observables. We find that the observables are significant for dAu[10, 90 nm] for the three and dAu[10, 50 nm] for six layer stacks and this predictive study guided the choice of the experimental sample thicknesses. The wave guide mode appears for dSiO₂ >190 nm. The electric field as a function of the penetration coordinate z is calculated in order to characterize the location of the field in the stack and to assign the nature of the modes. We observe that for the SPP the electric field is confined at the Au-air interface whereas, the electric fields corresponding to the WG mode are confined inside SiO₂ layer. Our calculations presented in this work are in good agreement with the experimental measurements performed in our group.; Dans cette thèse, nous étudions les propriétés optiques d'un système multicouche (air-Au-SiO₂-Au-Ti-verre). Les interfaces sont planes et la modélisation est réalisée en utilisant les coefficients de Fresnel à l'interface et la propagation d'ondes planes dans les couches. Deux modèles sont utilisés où l'échantillon est : i) excité par une source à l'infini ; ii) excité par une source locale. Dans l'expérience que nous avons modélisée l'empilement est excité par les électrons tunnel inélastiques dans un microscope à effet tunnel (STM). Dans le modèle, le courant tunnel inélastique est remplacé par un dipôle oscillant vertical. En utilisant ces modèles, nous avons calculé les flux réfléchis (reflectance) et transmis (transmittance) d'une source de lumière à l'infini et le flux transmis de l'excitation locale. La reflectance, transmittance et le flux transmis montrent des modes plasmoniques (surface plasmon polaritons (SPP)) et photoniques (guide d'onde (WG)). A des longueurs d'onde particulières, les courbes de dispersion des SPP et WG présentent un croisement évité. Le choix des épaisseurs d'or et de silice a deux contraintes: une amplitude importante des observables et une large dépendance en longueurs d'onde du vecteur d'onde dans le plan. Nous étudions aussi l'influence des épaisseurs sur les observables. Nous avons trouvé que les observables ont des amplitudes importantes à pour une épaisseur d'or de [10, 90 nm] pour l'empilement de trois couches et de [10, 50 nm] pour celui de six couches. Les modes de guide d'onde apparaissent pour une épaisseur de la couche de silice de >190 nm. Afin de caractériser la localisation du champ dans l'empilement et déterminer la nature du mode, nous avons calculé le champ électrique en fonction de la coordonnée de pénétration z. Nous avons trouvé que pour le mode SPP le champ est localisé à l'interface Au-air, tandis que le champ électrique du guide d'onde est confiné dans la couche de silice. Les résultats théoriques présentés sont en bon accord avec les résultats des études expérimentales menées dans notre groupe.

In this thesis, we investigate the optical properties of a six-layer stack (air-Au-SiO₂-Au-Ti-glass). The interfaces are flat and the modeling is performed using elementary Fresnel expressions at the interface and plane wave propagation in the layers. Two models are used where the sample is: i) excited by a source at infinity (excitation by source at infinity (ESI)); ii) excited by a local source. In the experiments we are modeling this source consists of the inelastic tunneling electrons from a scanning tunneling microscope (STM). In our modeling this source is replaced by a vertical oscillating dipole. Using these two models one calculates the reflected (reflectance) and the transmitted (transmittance) flux from a source at infinity and the transmitted flux of a local source. Surface plasmon polariton (SPP) and wave guide (WG) modes may be identified in the reflectance, transmittance and transmitted flux. In a particular wavelength domain the SPP and WG repel each other giving rise to an avoided crossing. The choice of the gold (Au) and silica (SiO₂) thicknesses of the six-layer stack is guided by two requirements: high amplitude of the observable and wide wavelength dependence of the in-plane wave vector. We also study the influence of the gold and silica thicknesses on the observables. We find that the observables are significant for dAu[10, 90 nm] for the three and dAu[10, 50 nm] for six layer stacks and this predictive study guided the choice of the experimental sample thicknesses. The wave guide mode appears for dSiO₂ >190 nm. The electric field as a function of the penetration coordinate z is calculated in order to characterize the location of the field in the stack and to assign the nature of the modes. We observe that for the SPP the electric field is confined at the Au-air interface whereas, the electric fields corresponding to the WG mode are confined inside SiO₂ layer. Our calculations presented in this work are in good agreement with the experimental measurements performed in our group., Dans cette thèse, nous étudions les propriétés optiques d'un système multicouche (air-Au-SiO₂-Au-Ti-verre). Les interfaces sont planes et la modélisation est réalisée en utilisant les coefficients de Fresnel à l'interface et la propagation d'ondes planes dans les couches. Deux modèles sont utilisés où l'échantillon est : i) excité par une source à l'infini ; ii) excité par une source locale. Dans l'expérience que nous avons modélisée l'empilement est excité par les électrons tunnel inélastiques dans un microscope à effet tunnel (STM). Dans le modèle, le courant tunnel inélastique est remplacé par un dipôle oscillant vertical. En utilisant ces modèles, nous avons calculé les flux réfléchis (reflectance) et transmis (transmittance) d'une source de lumière à l'infini et le flux transmis de l'excitation locale. La reflectance, transmittance et le flux transmis montrent des modes plasmoniques (surface plasmon polaritons (SPP)) et photoniques (guide d'onde (WG)). A des longueurs d'onde particulières, les courbes de dispersion des SPP et WG présentent un croisement évité. Le choix des épaisseurs d'or et de silice a deux contraintes: une amplitude importante des observables et une large dépendance en longueurs d'onde du vecteur d'onde dans le plan. Nous étudions aussi l'influence des épaisseurs sur les observables. Nous avons trouvé que les observables ont des amplitudes importantes à pour une épaisseur d'or de [10, 90 nm] pour l'empilement de trois couches et de [10, 50 nm] pour celui de six couches. Les modes de guide d'onde apparaissent pour une épaisseur de la couche de silice de >190 nm. Afin de caractériser la localisation du champ dans l'empilement et déterminer la nature du mode, nous avons calculé le champ électrique en fonction de la coordonnée de pénétration z. Nous avons trouvé que pour le mode SPP le champ est localisé à l'interface Au-air, tandis que le champ électrique du guide d'onde est confiné dans la couche de silice. Les résultats théoriques présentés sont en bon accord avec les résultats des études expérimentales menées dans notre groupe.

The propagation of optical waves in coupled waveguides can be described by the coupled-mode theory. This formalism is mathematically analogous to the one for the quantum dynamics of the population of coupled atomic states, which is described by the Schrödinger equation within the so called Rotating Wave Approximation (RWA). This analogy has been pointed out in recent years. It was applied to coupled waveguide systems with constant effective refractive indices, which are fully analogous to resonant coupled quantum systems. This work extends this kind of studies to optical systems possessing an additional control parameter: the longitudinal modulation of the waveguide propagation constants. This approach is analogous to quantum systems with time dependent non-resonant excitation. As the population transfer between atomic states can be controlled by means of the Rabi frequencies and the laser frequency detunings, the light transfer between coupled waveguides can be controlled by means of the coupling constants and the propagation constants.Several such analogies are studied and exploited in this thesis for the demonstration of robust (broadband) adiabatic light transfer and splitting. The first system is based on the recently introduced quantum process known as two-state STImulated Raman Adiabatic Passage (two-state STIRAP). This is implemented for the first time in classical optics with a set of two evanescently coupled waveguides with proper longitudinal modulation of the mode propagation constants and of the coupling coefficient between them. A broadband 50:50 beam splitter based on two-state STIRAP is theoretically proposed and experimentally demonstrated. The experiments are performed using reconfigurable and tuneable waveguide structures that are optically induced by a lateral illumination technique of a nonlinear photorefractive crystal. This experimental platform provides versatile guiding structures that can be erased and reconfigured to test various systems depending on the considered analogy.A second quantum analogy based on the process of Rapid Adiabatic Passage (RAP) is theoretically studied and experimentally implemented for a set of two waveguides for which the longitudinally varying detuning crosses zero at half propagation distance. The modulation of the detuning and of the coupling constant provide a very robust and highly achromatic mechanism for full light transfer between the waveguides (broadband directional coupler). This is analogous to the RAP-based robust inversion of two-level quantum systems.The above RAP-like transfer applies to systems containing only two waveguides. It is also shown theoretically and numerically that the same functionality can be obtained in systems containing N waveguides with N>2. This relies on a technique called adiabatic elimination. It consists in the formal elimination of the N-2 internal waveguide(s) who reduces the system to an effective two-waveguide system where RAP can be applied. This is relevant because it permits a light transfer between the outer waveguides without excitation of the middle one(s). In contrast to the already known technique based on the conventional STIRAP process, the technique studied here works in a symmetric way and for an odd and even total number of guides N. Adiabatic elimination is achieved by a strong detuning between the two outer waveguides and the remaining one(s). It can be concluded that the analogies of all the classical optical systems studied in this work with corresponding non-resonant quantum systems and processes give powerful tools to design new broadband photonic structures. Moreover, the present studies can pave the way for dealing with future novel functionalities in nonlinear optical waveguide systems, which involve in a natural way a spatial light-intensity-dependent variation of the waveguide propagation constants and detuning.; La propagation d'ondes dans des guides d'ondes couplés peut être décrite par la théorie des modes couplés. Ce formalisme est mathématiquement analogue à l'équation de Schrödinger dans l'approximation des ondes tournantes (RWA) qui décrit la dynamique quantique du transfert de population entre des états atomiques couplés. Ces analogies ont été précédemment étudiées dans des systèmes de guides couplés possédant un indice effectif constant. Ces systèmes sont parfaitement analogues aux systèmes quantiques couplés en résonance. Nous étendons ce type d'études à des systèmes optiques possédant un paramètre de contrôle supplémentaire via la modulation longitudinale des constantes de propagation. Ces configurations sont analogues aux systèmes quantiques couplés avec une excitation variable et non résonnante. Le transfert de population entre les états atomiques est contrôlé par les fréquences de Rabi et le désaccord de fréquence entre le laser couplant les niveaux et la fréquence de transition. Et en optique, le transfert de lumière entre les guides est ajusté et contrôlé grâce aux constantes de couplage et de propagation des modes.Dans cette thèse, nous exploitons ces analogies pour réaliser des transferts robustes et adiabatiques de la lumière entre différents guides. Le premier système étudié est basé sur le processus, récemment développé en physique quantique, de STIRAP à deux états (two-state STImulated Raman Adiabatic Passage). Cette analogie est mise en œuvre pour la première fois en optique grâce à une structure composée de deux guides, pour lesquels les constantes de couplage et de propagation sont modulées longitudinalement pour réaliser un diviseur de faisceau 50:50 large bande. Ce composant est d’abord étudié théoriquement puis démontré expérimentalement. Les expériences sont réalisées avec des structures de guide d'ondes reconfigurables et accordables, générés par la technique d'illumination latérale d'un cristal photo réfractif. Cette plateforme expérimentale innovante permet de générer des structures de guides qui peuvent être facilement effacés et reconfigurés pour tester différents systèmes.Une seconde analogie, inspirée du processus de Passage Adiabatique Rapide (RAP), est ensuite théoriquement étudiée et expérimentalement réalisée. Nous exploitons un système à deux guides couplés, où le désaccord entre les constantes de propagation s’annule au centre de la propagation. Une telle modulation du désaccord entre les constantes de propagation et de la constante de couplage permet d’effectuer un transfert total de la lumière entre les guides (réalisation d’un coupleur directionnel large bande et robuste).Le processus de RAP décrit précédemment s'applique à des systèmes à deux états. Nous démontrons théoriquement et numériquement que les analogies optiques du RAP peuvent être étendues à des systèmes contenant N guides (N>2) grâce à une technique quantique appelée élimination adiabatique. Elle consiste en l'élimination formelle du (des) guide(s) d'ondes intermédiaire(s). Cela réduit le système à un formalisme mathématique où seuls les deux guides externes restent, et où, par conséquent, le RAP peut être appliqué. Cette technique permet un transfert de lumière entre les guides externes sans excitation du (des) guide(s) intermédiaires. Contrairement à la technique du STIRAP conventionnel, l’élimination adiabatique fonctionne de manière symétrique, et pour un nombre de guides N pair ou impair. L’élimination adiabatique requiert un désaccord important des constantes de propagation.Ce travail contribue ainsi à démontrer que les analogies entre la mécanique quantique et l’optique guidée sont des outils puissants pour concevoir de nouvelles structures photoniques large bande et robustes. Elles peuvent être étendues à la réalisation future de nouvelles fonctions utilisant des guides en régime non linéaire, la propagation non linéaire induisant la variation spatiale (dépendante de l'intensité de la lumière).

This manuscript is devoted to polariton condensates in two wide band gap semiconductors: GaN and ZnO. The first part of this work focuses on the study by optical spectroscopy of two planar microcavities (one of GaN, the other of ZnO) sharing the same structure and the same photonic properties. The strong coupling and polariton lasing regime have been observed from 5 K to 300 K in both microcavities. The realization of phase diagrams has pointed out the inconstant impact of resonances with LO phonons on the lowering of the laser threshold. The study of the GaN microcavity has been pushed to 350 K and we have demonstrated, for the first time at this temperature, the persistence of the strong coupling regime and the polariton laser under optimal excitation conditions. The second part of this work is focused on ZnO waveguides. Besides the observation of strong coupling regime from 5 K to 300 K, our study has highlighted a new lasing effect in this geometry: the horizontal polariton laser.; Ce manuscrit de thèse est consacré aux condensats de polaritons dans deux semi-conducteurs à grand gap : GaN et ZnO. La première partie de ce travail se concentre sur l’étude par spectroscopie optique de deux microcavités planaires (une de GaN, l’autre de ZnO) présentant des structures et des propriétés photoniques identiques. Le régime de couplage fort lumière-matière et l’effet laser à polaritons ont pu être observés de 5 K à 300 K pour les deux microcavités. La réalisation de diagrammes de phase a mis en évidence l’impact variable des résonances avec les phonons LO sur l’abaissement du seuil laser. L’étude de la microcavité GaN a été poussée jusqu’à 350 K et nous avons pu démontrer, pour la première fois à cette température, la persistance du couplage fort et du laser à polaritons pour des conditions d’excitations optimales. La deuxième partie de ce travail est focalisée sur des guides d’onde de ZnO. Outre l’observation du régime de couplage fort de 5 K à 300 K, notre étude a pu mettre en exergue un phénomène laser inédit dans cette géométrie : le laser à polaritons horizontal.

This manuscript is devoted to polariton condensates in two wide band gap semiconductors: GaN and ZnO. The first part of this work focuses on the study by optical spectroscopy of two planar microcavities (one of GaN, the other of ZnO) sharing the same structure and the same photonic properties. The strong coupling and polariton lasing regime have been observed from 5 K to 300 K in both microcavities. The realization of phase diagrams has pointed out the inconstant impact of resonances with LO phonons on the lowering of the laser threshold. The study of the GaN microcavity has been pushed to 350 K and we have demonstrated, for the first time at this temperature, the persistence of the strong coupling regime and the polariton laser under optimal excitation conditions. The second part of this work is focused on ZnO waveguides. Besides the observation of strong coupling regime from 5 K to 300 K, our study has highlighted a new lasing effect in this geometry: the horizontal polariton laser.; Ce manuscrit de thèse est consacré aux condensats de polaritons dans deux semi-conducteurs à grand gap : GaN et ZnO. La première partie de ce travail se concentre sur l’étude par spectroscopie optique de deux microcavités planaires (une de GaN, l’autre de ZnO) présentant des structures et des propriétés photoniques identiques. Le régime de couplage fort lumière-matière et l’effet laser à polaritons ont pu être observés de 5 K à 300 K pour les deux microcavités. La réalisation de diagrammes de phase a mis en évidence l’impact variable des résonances avec les phonons LO sur l’abaissement du seuil laser. L’étude de la microcavité GaN a été poussée jusqu’à 350 K et nous avons pu démontrer, pour la première fois à cette température, la persistance du couplage fort et du laser à polaritons pour des conditions d’excitations optimales. La deuxième partie de ce travail est focalisée sur des guides d’onde de ZnO. Outre l’observation du régime de couplage fort de 5 K à 300 K, notre étude a pu mettre en exergue un phénomène laser inédit dans cette géométrie : le laser à polaritons horizontal.

Direct Laser Writing (DLW) has been an exponentially growing research field during the last two decades, by providing an efficient and robust way to directly address three dimensional (3D) structures in transparent materials such as glasses using femtosecond laser pulses. It exhibits many advantages over lithography technique which is mostly limited to two dimensional (2D) structuring and involves many fabrication steps. This competitive aspect makes the DLW technique suitable for future technological transfer to advanced industrial manufacturing. Generally, DLW in glasses induces physical changes such as permanent local refractive index modifications that have been classified under three distinct types: (Type I, Type II & Type III). In silver containing glasses with embedded silver ions Ag+, DLW induces the creation of fluorescent silver clusters Agmx+ at the vicinity of the interaction voxel. In this work, we present a new type of refractive index change, called type A that is based on the creation of the photo-induced silver clusters allowing the creation of new linear and nonlinear optical waveguides in silver containing glasses. Various waveguides, a 50-50 Y beam splitter, as well as optical couplers, were written based on type A modification inside bulk glasses and further characterized. On the other hand, a comparison study between type A and type I waveguides is presented, showing that finely tuning the laser parameters allows the creation of either type A or type I modification inside silver containing glasses. Finally, based on type A near-surface waveguides, a highly sensitive refractive index sensor is created in a 1 cm glass chip, which could exhibit a pioneer demonstration of double sensing refractive ranges. The waveguiding properties observed and reported in the bulk of such silver containing glasses were transposed to ribbon shaped fibers of the same material. Those results pave the way towards the fabrication of 3D integrated circuits and fiber sensors with original fluorescent, nonlinear and plasmonic properties that are not accessible using the standard type I modification, L'inscription laser directe est un domaine de recherche en croissance depuis ces deux dernières décennies, fournissant un moyen efficace et robuste pour inscrire directement des structures en trois dimensions (3D) dans des matériaux transparents tels que des verres en utilisant des impulsions laser femtosecondes. Cette technique présente de nombreux avantages par rapport à la technique de lithographie, qui se limite à la structuration en deux dimensions (2D) et implique de nombreuses étapes de fabrication. Cela rend la technique d’inscription laser direct bien adaptée aux nouveaux procédés de fabrication. Généralement, l’inscription laser dans les verres induit des changements physiques tels qu'un changement permanent de l'indice de réfraction localisé. Ces modifications ont été classés en trois types distincts : (Type I, Type II et Type III). Dans ce travail, nous présentons un nouveau type de changement d'indice de réfraction, appelé type A qui est basé sur la création d’agrégats d'argent photo-induit. En effet, dans des verres dans lesquels sont incorporés des ions argent Ag+, lors de leurs synthèses, l’inscription laser directe induit la création d’agrégats d’argent fluorescents Agmx+ au voisinage du voxel d’interaction. Ces agrégats modifient localement les propriétés optiques comme : la fluorescence, la non-linéarité et la réponse plasmonique du verre. Ainsi, différents guides d'ondes, un séparateur de faisceau 50-50, ainsi que des coupleurs optiques ont été inscrits en se basant sur ce nouveau Type A et complétement caractérisés. D'autre part, une étude comparative entre les deux types de guides d'ondes (type A et type I) est présentée, tout en montrant qu’en ajustant les paramètres laser, il est possible de déclencher soit le Type I soit le Type A. Enfin, en se basant sur des guides d’ondes de type A inscrits proche de la surface du verre, un capteur d'indice de réfraction hautement sensible a été inscrit dans une lame de verre de 1 cm de long. Ce capteur miniaturisé peut présenter deux fenêtres de détection d’indice, ce qui constitue une première mondiale. Les propriétés des guides d'ondes inscrits dans ces verres massifs ont été transposées à des fibres en forme de ruban, du même matériau contenant de l'argent. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ouvrent la voie à la fabrication de circuits intégrés en 3D et de capteurs à fibre basés sur des propriétés optiques originales inaccessibles avec des guides d’onde de Type I standard.

Ces travaux de thèse sont une contribution au projet de réalisation de matrices actives photoniques dans le cadre de la confection de lunettes à réalité augmentée. Un état de l’art des dispositifs actuels nous a permis de montrer l’encombrement engendré par l’utilisation d’un projecteur situé sur la monture. Pour s’en abstenir, l’utilisation du verre de lunette comme source d’image est limitée par la transparence des matrices actives classiques adressant un signal électrique avec des matériaux métalliques. L’utilisation de la photonique pour adresser chacun des pixels avec un signal optique guidée dans des matériaux diélectriques pourrait permettre d’en optimiser la transmission. Dans ce contexte, nos travaux concernent l’étude et la réalisation expérimentale de dispositifs incluant un guide d’onde et un système d’extraction activable. L'objectif est, d'une part, de sélectionner les matériaux et procédés technologiques adaptés pour former des lignes d'adressage photoniques et, d'autre part, d'associer les composants réalisés avec des éléments actifs permettant d’initier ou non l’extraction d’un guide d’onde. Le dispositif doit être transparent dans le visible afin de respecter les contraintes liées au secteur de l'optique ophtalmique. Dans un premier axe de recherche, des réseaux de diffraction micrométriques sont réalisés grâce au développement d’un procédé de photolithographie sur verre avant d’être imprégnés de cristaux liquides via la formation de cellules. La caractérisation, en transmission, des dispositifs formés permet d’étudier la capacité des molécules de cristal liquide à moduler l'intensité de diffraction pour passer d’un état diffractant à un état non diffractant. Une extinction de la diffraction de 90 à 99,9% selon l'épaisseur des structures est finalement mesurée avec l’application d’un champ électrique dans la cellule. La comparaison de ces résultats avec des calculs numériques permet de confirmer l’alignement des molécules à l’intérieur de la structure ainsi que leurs mobilités sous l’effet d’un champ électrique. Ce principe est, dans un second temps, étudié avec des composants photoniques et la réalisation de GMRF (Guided Mode Resonance Filter), association d'un guide d'onde et d'un réseau de diffraction. Des matériaux issus de la chimie sol-gel sont utilisés pour former des guides d'onde planaires et le développement d’un procédé de lithographie par nano-impression nous a permis d’obtenir les structures nanométriques requises. Divers bancs de caractérisation optique sont alors mis en place pour aboutir à plusieurs méthodes de couplage permettant d’obtenir une onde guidée dans le visible. Finalement, nous avons mesuré une modulation de 90% de l’intensité extraite par le GMRF via l’activation des cristaux liquides.; Ces travaux de thèse sont une contribution au projet de réalisation de matrices actives photoniques dans le cadre de la confection de lunettes à réalité augmentée. Un état de l’art des dispositifs actuels nous a permis de montrer l’encombrement engendré par l’utilisation d’un projecteur situé sur la monture. Pour s’en abstenir, l’utilisation du verre de lunette comme source d’image est limitée par la transparence des matrices actives classiques adressant un signal électrique avec des matériaux métalliques. L’utilisation de la photonique pour adresser chacun des pixels avec un signal optique guidée dans des matériaux diélectriques pourrait permettre d’en optimiser la transmission. Dans ce contexte, nos travaux concernent l’étude et la réalisation expérimentale de dispositifs incluant un guide d’onde et un système d’extraction activable. L'objectif est, d'une part, de sélectionner les matériaux et procédés technologiques adaptés pour former des lignes d'adressage photoniques et, d'autre part, d'associer les composants réalisés avec des éléments actifs permettant d’initier ou non l’extraction d’un guide d’onde. Le dispositif doit être transparent dans le visible afin de respecter les contraintes liées au secteur de l'optique ophtalmique. Dans un premier axe de recherche, des réseaux de diffraction micrométriques sont réalisés grâce au développement d’un procédé de photolithographie sur verre avant d’être imprégnés de cristaux liquides via la formation de cellules. La caractérisation, en transmission, des dispositifs formés permet d’étudier la capacité des molécules de cristal liquide à moduler l'intensité de diffraction pour passer d’un état diffractant à un état non diffractant. Une extinction de la diffraction de 90 à 99,9% selon l'épaisseur des structures est finalement mesurée avec l’application d’un champ électrique dans la cellule. La comparaison de ces résultats avec des calculs numériques permet de confirmer l’alignement des molécules à l’intérieur de la structure ainsi que leurs mobilités sous l’effet d’un champ électrique. Ce principe est, dans un second temps, étudié avec des composants photoniques et la réalisation de GMRF (Guided Mode Resonance Filter), association d'un guide d'onde et d'un réseau de diffraction. Des matériaux issus de la chimie sol-gel sont utilisés pour former des guides d'onde planaires et le développement d’un procédé de lithographie par nano-impression nous a permis d’obtenir les structures nanométriques requises. Divers bancs de caractérisation optique sont alors mis en place pour aboutir à plusieurs méthodes de couplage permettant d’obtenir une onde guidée dans le visible. Finalement, nous avons mesuré une modulation de 90% de l’intensité extraite par le GMRF via l’activation des cristaux liquides.

In this thesis, we are interested in the modeling and simulation of the propagation of ultrasonic waves in the cortical bone. Precisely, we have studied and analyzed the Quantitative Ultrasound (QUS) technique for the evaluation of the quality of bone tissue. It is an emerging technique those the application to bone tissue arouses particular interest in the scientific community. Since bone tissue is a living tissue, it is subject to aging and various pathologies, such osteoporosis, osteomalacia, osteoporomalacia, or the so-called Paget disease. To assist in therapeutic follow-up of the bone, monitoring of quality of bone tissue is essential. In this context, methods based on QUS technique are deemed to be interesting, due of their non-invasive, inexpensive, portable and non-ionizing characteristics. However, use the ultrasound in the context of characterization of bone tissue, requires a deep understanding of the different physical phenomena involved in their propagation. In this perspective, our work is developed in the modeling theme dedicated to the propagation of ultrasonic waves in multidimensional, heterogeneous, anisotropic waveguides, constituted of materials whose heterogeneity can be qualified as random. One of the originalities of this thesis concerns the study of the reflection and transmission coefficients and the dispersion curves in the presence of uncertainties in the material properties. In a first part, we study the reflection/transmission phenomena via a two-dimensional tri-layer model taking into account the soft tissues and the random heterogeneity of the bone tissue. We analyzed the impact of these characteristics on the reflection and transmission coefficients. A gradient of material properties is introduced, and its effect on the coefficients of interest is examined. The modal aspect of the waves is explored, by studying the dispersion of Lamb waves. The results obtained in a two-dimensional geometrical configuration made it possible to discuss the influence of the various parameters, in terms of mechanical and/or geometric properties, on the propagation of the ultrasonic waves in the cortical tissue. In a second part, the proposed model is extended for a cylindrical geometric configuration. The discussion is carried out in order to analyze the influence of the three-dimensional geometry of the bone on the phenomena of propagation; Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la modélisation et la simulation de la propagation d'ondes ultrasonores dans l'os cortical. Plus précisément, nous avons étudié et analysé la technique dite des ultrasons quantitatifs (Quantitative Ultrasound, QUS) pour l'évaluation de la qualité du tissu osseux. Il s'agit d'une technique émergente dont l'application aux tissus osseux suscite un intérêt particulier dans la communauté scientifique. Le tissu osseux étant un tissu vivant, il est sujet au vieillissement et à divers pathologies parmi lesquelles on peut citer ostéoporose, ostéomalacie, ostéoporomalacie, ou encore, la maladie dite de Paget. Pour accompagner les soins à prodiguer au tissu osseux, une surveillance de sa qualité s'avère indispensable. Dans ce contexte, les méthodes ultrasonores sont réputées être intéressantes, de par leurs caractères non-invasif, peu coûteux, portable et non-ionisant. Cependant, utiliser des ultrasons dans le cadre de la caractérisation du tissu osseux, suppose une compréhension profonde des différents phénomènes physiques mis en jeu lors de leur propagation. Dans cette optique, notre travail est développé dans la thématique de la modélisation dédiée à la propagation des ondes ultrasonores dans des guides d'ondes multidimensionnels, hétérogènes, anisotropes, et composés de matériaux dont l'hétérogénéité peut être qualifiée d'aléatoire. Une des originalités de cette thèse concerne l'étude des coefficients de réflexion et de transmission et des courbes de dispersion en présence d'incertitudes dues aux propriétés matérielles. Dans une première partie, nous étudions les phénomènes de réflexion/transmission via un modèle tri-couches bidimensionnels prenant en compte les tissus mous et l'hétérogénéité aléatoire du tissu osseux. Nous avons pu analyser l'impact de ces caractéristiques sur les coefficients de réflexion et de transmission. Un gradient de propriétés matérielles de l'os est introduit, et son impact sur les coefficients d'intérêt est examiné. L'aspect modal des ondes est exploré, en étudiant la dispersion des ondes de Lamb. Les résultats obtenus dans une configuration géométrique bidimensionnelle ont permis de discuter l'influence des divers paramètres, en terme de propriétés mécaniques et/ou géométriques, sur la propagation des ondes ultrasonores dans le tissu cortical. Dans une deuxième partie, le modèle est étendu pour une configuration géométrique cylindrique. La discussion est menée afin d'analyser l'influence de la géométrie tridimensionnelle de l'os sur les phénomènes de propagation

In this thesis, we are interested in the modeling and simulation of the propagation of ultrasonic waves in the cortical bone. Precisely, we have studied and analyzed the Quantitative Ultrasound (QUS) technique for the evaluation of the quality of bone tissue. It is an emerging technique those the application to bone tissue arouses particular interest in the scientific community. Since bone tissue is a living tissue, it is subject to aging and various pathologies, such osteoporosis, osteomalacia, osteoporomalacia, or the so-called Paget disease. To assist in therapeutic follow-up of the bone, monitoring of quality of bone tissue is essential. In this context, methods based on QUS technique are deemed to be interesting, due of their non-invasive, inexpensive, portable and non-ionizing characteristics. However, use the ultrasound in the context of characterization of bone tissue, requires a deep understanding of the different physical phenomena involved in their propagation. In this perspective, our work is developed in the modeling theme dedicated to the propagation of ultrasonic waves in multidimensional, heterogeneous, anisotropic waveguides, constituted of materials whose heterogeneity can be qualified as random. One of the originalities of this thesis concerns the study of the reflection and transmission coefficients and the dispersion curves in the presence of uncertainties in the material properties. In a first part, we study the reflection/transmission phenomena via a two-dimensional tri-layer model taking into account the soft tissues and the random heterogeneity of the bone tissue. We analyzed the impact of these characteristics on the reflection and transmission coefficients. A gradient of material properties is introduced, and its effect on the coefficients of interest is examined. The modal aspect of the waves is explored, by studying the dispersion of Lamb waves. The results obtained in a two-dimensional geometrical configuration made it possible to discuss the influence of the various parameters, in terms of mechanical and/or geometric properties, on the propagation of the ultrasonic waves in the cortical tissue. In a second part, the proposed model is extended for a cylindrical geometric configuration. The discussion is carried out in order to analyze the influence of the three-dimensional geometry of the bone on the phenomena of propagation, Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la modélisation et la simulation de la propagation d'ondes ultrasonores dans l'os cortical. Plus précisément, nous avons étudié et analysé la technique dite des ultrasons quantitatifs (Quantitative Ultrasound, QUS) pour l'évaluation de la qualité du tissu osseux. Il s'agit d'une technique émergente dont l'application aux tissus osseux suscite un intérêt particulier dans la communauté scientifique. Le tissu osseux étant un tissu vivant, il est sujet au vieillissement et à divers pathologies parmi lesquelles on peut citer ostéoporose, ostéomalacie, ostéoporomalacie, ou encore, la maladie dite de Paget. Pour accompagner les soins à prodiguer au tissu osseux, une surveillance de sa qualité s'avère indispensable. Dans ce contexte, les méthodes ultrasonores sont réputées être intéressantes, de par leurs caractères non-invasif, peu coûteux, portable et non-ionisant. Cependant, utiliser des ultrasons dans le cadre de la caractérisation du tissu osseux, suppose une compréhension profonde des différents phénomènes physiques mis en jeu lors de leur propagation. Dans cette optique, notre travail est développé dans la thématique de la modélisation dédiée à la propagation des ondes ultrasonores dans des guides d'ondes multidimensionnels, hétérogènes, anisotropes, et composés de matériaux dont l'hétérogénéité peut être qualifiée d'aléatoire. Une des originalités de cette thèse concerne l'étude des coefficients de réflexion et de transmission et des courbes de dispersion en présence d'incertitudes dues aux propriétés matérielles. Dans une première partie, nous étudions les phénomènes de réflexion/transmission via un modèle tri-couches bidimensionnels prenant en compte les tissus mous et l'hétérogénéité aléatoire du tissu osseux. Nous avons pu analyser l'impact de ces caractéristiques sur les coefficients de réflexion et de transmission. Un gradient de propriétés matérielles de l'os est introduit, et son impact sur les coefficients d'intérêt est examiné. L'aspect modal des ondes est exploré, en étudiant la dispersion des ondes de Lamb. Les résultats obtenus dans une configuration géométrique bidimensionnelle ont permis de discuter l'influence des divers paramètres, en terme de propriétés mécaniques et/ou géométriques, sur la propagation des ondes ultrasonores dans le tissu cortical. Dans une deuxième partie, le modèle est étendu pour une configuration géométrique cylindrique. La discussion est menée afin d'analyser l'influence de la géométrie tridimensionnelle de l'os sur les phénomènes de propagation

The aim of this thesis is to develop a scheme for controling the propagation of acoustic waves using heteregenous surfaces. Its results can be applied in the field of urban acoustic. The thesis is composed of two sections, each of them employing a different method. The first section focuses on controling the direction of a reflected wave, using a metasurface. The second concentrates on the influence of an inconsistent treatment to the side of an open waveguide on the wave joint and competitive effects of absorption, confinement and radiation. Part one provides experimental evidence that it is possible to conceal an object placed on a wall from an audible acoustic wave. To prove it, the thinest possible metasurface was constructed with Helmholtz resonators. The experimental results were compared to a numerical study realized with finite elements. This work was made in both temporal and frequency domains, allowing to point out the wide frequency characteristics of the metasurface. The numerical and experimental results show that the direction of a reflected wave can, indeed, be controled. Part two analyse the impact of a heterogeneous wall on the spreadinf of an acoustic wave in a street. Due to radiation losses, the street produces complex ways of propagation. The presence of a porous material on a waveguide‘ side deeply disrupt the spatial location of these waves, making them more or less fleeting. In particular, depending on the position of the material in the street, certain waves will be more confined to the inside of the street, radiating less towards the open external environment. They are consequently, less cushioned., L’objectif de ce travail est le développement de dispositifs de contrôle de la diffusion des ondes acoustiques à l’aide de surfaces hétérogènes, pour des applications à l’acoustique urbaine. Pour remplir cet objectif, deux méthodes sont employées. La première à l’aide d’une métasurface, la direction d’une onde réfléchie est contrôlée. La seconde étude concerne l’influence d’un traitement inhomogène aux parois d’un guide ouvert sur les effets conjoints ou compétitifs d’absorption, de confinement et de rayonnement de l’onde. Nous montrons expérimentalement la possibilité de dissimuler un objet disposé sur un mur pour une onde acoustique audible. Pour y parvenir, une métasurface composée de différents résonateurs de Helmholtz est conçue et est réalisée de façon à être la plus fine possible. Ces travaux sont réalisés dans le domaine fréquentiel mais également dans le domaine temporel, ce qui permet de mettre en avant le caractère large bande de la métasurface. Il est démontré numériquement et expérimentalement que la direction des ondes réfléchies peut être contrôlée. Enfin la dernière partie est consacrée à l’influence d’une paroi hétérogène sur la propagation d’une onde acoustique à l’intérieur d’une rue. Une rue pouvant être assimilée à un guide d’onde ouvert engendre donc des modes de propagation complexes, dus aux pertes par rayonnement. La présence d’un matériau poreux sur les parois d’un guide vient perturber fortement la localisation spatiale des modes, ce qui les rend plus ou moins fuyants.

Afin de répondre aux besoins croissants d’équipements de communication pour les applications spatiales, il est important de réduire, le plus possible, la taille et la masse de l’équipement des satellites. Cela conduit à une réduction des coûts de lancement des satellites sur leur orbite ou laisse la possibilité d’ajouter des équipements dans la fusée. Ceci compte aussi pour les composants radioélectriques. L’objectif étant de réduire les dimensions sans pour autant détériorer les performances en rayonnement (directivité, polarisation croisée, bande monomode, etc.). Il est possible de contrôler la propagation des ondes électromagnétiques dans les antennes cornets et les guides d’onde à l’aide de surfaces anisotropes (corrugations, métamatériaux). Ainsi, contrairement à ce que prédisent les lois physiques sur la propagation et le rayonnement d’ondes électromagnétiques dans des structures classiques, les performances des structures à parois anisotropes peuvent être radicalement améliorées : pour le guide d’onde, réduction de la fréquence de coupure ; pour l’antenne cornet, amélioration de la directivité ou réduction du niveau des lobes secondaires. D’après l’état de l’art, même si les résultats de simulations et de mesures obtenus sont très prometteurs, le dimensionnement de la structure des métamatériaux est sujet à optimisation, donc gourmand en ressources informatiques. L’apport principal de cette thèse a été de développer une nouvelle méthodologie de conception s’appuyant sur une Théorie Modale Elargie (TME) analytique pour des guides d’onde à parois anisotropes. Elle permet de dimensionner très rapidement des surfaces à métamatériaux les plus adaptées aux applications requises. Un prototype de guide d’onde et un prototype d’antenne ont été conçus, fabriqués et mesurés grâce à cette méthodologie. Les résultats obtenus démontrent l’intérêt, l'efficacité et le caractère général de la méthode proposée pour la conception de dispositifs hyperfréquences guidés à parois anisotropes.

Squeezed states of light are quantum states that can be used in numerous protocols for quantum computation and quantum communication. Their generation in labora- tories has been investigated before, but they still lack compactness and practicality to easily integrate them into larger experiments. This thesis considers two experiments: one conducted in France, the miniOPO; and one conducted in Australia, the SquOPO. Both are new designs of compact sources of squeezed states of light towards an integrated system. The miniOPO is a linear cavity of 5mm length between the end of a fiber and a curved mirror with a PPKTP crystal of 1mm inside it. The squeezing generated in this cavity is coupled into the fiber to be able to be brought to a measurement device (homodyne) or to a larger experiment. The cavity is resonant for the squeezed light and the pump light, and locked in frequency using self-locking effects due to absorption of the pump in the crystal. The double resonance is achieved by changing the temperature of the crystal. Two different fibers have been tested in this experiment, a standard single-mode fiber and a photonic large core single-mode fiber. The squeezing obtained is still quite low (0.5dB with the standard fiber and 0.9dB for the photonic fiber) but a number of ameliorations are investigated to increase these levels in the future. The SqOPO is a monolithic square cavity made in a Lithium Niobate crystal using four total internal reflections on the four faces of the square to define an optical mode for the squeezed mode and the pump mode. The light is coupled in the resonator using frustrated internal reflection with prisms. The distance between the prisms and the resonator defined the coupling of the light, which allows us to control the finesse of the light in the resonator and by using birefringent prisms it is possible to tune independently the two frequencies in the resonator to achieve an optimal regime. The frequency of the light is locked using absorption of the pump light in the resonator to achieve self-locking, and double resonance is controlled by tuning the temperature of the crystal. We demonstrated 2.6dB of vacuum squeezing with this system. Once again, the amount of squeezing is low, but ameliorations that could be implemented in the future are discussed., Les états comprimés de lumière sont des états quantiques qui peuvent être utilisés dans de nombreux protocoles pour le calcul quantique et la communication quantique. Leur génération en laboratoire a déja été étudiée au paravant, mais ils manquent en general encore de compacité et de praticitalité pour une intégration facile dans des expériences plus grandes. Cette thèse considère deux expériences: celle menée en France, le miniOPO; et celle menée en Australie, le SquOPO. Les deux sont de nouvelles conceptions de sources compactes d' état de lumière comprimé dans l'optique d'une integration future. Le miniOPO est une cavité linéaire d'une longueur de 5 mm entre l'extrémité d'une fibre et un miroir incurvé avec un cristal de PPKTP de 1 mm à l'intérieur. Le vide comprimé généré dans cette cavité est couplé dans la fibre pour pouvoir être envoyé vers un systeme de mesure, (dispositif homodyne) ou vers une plus grande expérience. La cavité est résonnante pour la frequence de lumiere comprimé et pour celle de la pompe. Le systeme est verrouillé en fréquence en utilisant des effets auto-verrouillant du à l'absorption de la pompe dans le cristal. La double résonance est obtenue en changeant la température du cristal. Deux fibres différentes ont été testées dans cette expérience, une fibre mono-mode standard, et une fibre photonique mono-mode avec un diametre de mode plus important. Le vide comprimé obtenu est encore assez faible (0.5dB avec la fibre standard et 0.9dB pour la fibre photonique), mais un certain nombre d'améliorations sont étudiées pour augmenter ces niveaux dans l'avenir. Le SqOPO est une cavité carrée monolithique dans un cristal de niobate de lithium. En utilisant quatre réflexions total internes sur les quatre faces du crystal, il est possible de definir un mode optique de cavité pour la frequence du vide comprimé et celle du mode de la pompe. La lumière est couplée dans le résonateur en utilisant une frustration de la réflexion interne par des prismes. La distance entre les prismes et le résonateur défini la force du couplage de la lumière, ce qui nous permet de contrôler la la finesse de la lumière dans le résonateur. En utilisant des prismes biréfringents, il est possible de controler indépendamment la finesse des deux fréquences dans le résonateur pour atteindre un régime optimum. Comme pour le MiniOPO, La fréquence de resonance de la cavité est verouillé grace à l' absorption de la lumière de pompage dans le résonateur, ce qui permet d' atteindre l'auto-verrouillage. La double résonance est contrôlée par le réglage de la température du cristal. et la position des prismes. Nous avons démontré 2.6dB de vide comprimé avec ce système. Encore une fois, la quantité de compression est faible, mais des améliorations qui pourraient être mises en œuvre dans l'avenir sont discutées.

This thesis focuses on the spectral analysis and Stark resonances on the guides of two-dimensional quantum waves.In this work, we establish a resonance theory from the definition proposed by J. Aguilar and J. M. Combes. This method relies mainly on the distorsions of analytical theory. This allows Stark to tackle the problem. In particular, the first part is devoted the influence of an electric field on a two dimensional waveguide. We show that bound states that occur under a geometrical deformation of the guide turn into resonances when we apply an electric field of small intensity having a nonzero component on the longitudinal direction of the system.In the second part we studied the Stark resonances in a quantum waveguide with analytical curvature., Cette thèse porte sur l'analyse spectrale et résonances de Stark sur les guides d'ondes quantiques bidimensionnelDans ce travail, nous établissons une théorie des résonances à partir de la définition proposée par J. Aguilar et J.M. Combes. Cette méthode s'appuie essentiellement sur la théorie des distorsions analytiques. Ceci permet d'aborder le problème de Stark. En particulier, La première partie est consacrée à étudier l'influence d'un champ électrique sur une guide d'ondes à deux dimensions. Nous montrons que les états liées qui se produisent sous une déformation géométrique du guide se transforment en résonances lorsque nous appliquons un champ électrique de faible intensité ayant une composante non nulle sur la direction longitudinale du système.Dans la deuxième partie on a étudie les résonances de Stark dans une guide d'onde quantique avec courbure analytique.

Les travaux réalisés ces dernières années m’ont amené à combiner ces trois aspects : synthèse de matériaux, caractérisations et modélisation. A propos de la synthèse de matériau, j’ai utilisé la synthèse par voie chimique pendant ma thèse (film mince de PZT) et mon postdoc (film mince polymère). A Caen, les méthodes de synthèse utilisées sont des méthodes physiques comme la pulvérisation cathodique magnétron. Mes activités directes sont actuellement plus centrées sur la caractérisation et la modélisation des matériaux optiques, réalisés au sein de l’équipe NIMPH ou étudiés par l’intermédiaire de collaborations. Dans la suite du manuscrit, je vais détailler les travaux post-doctoraux expérimentaux et théoriques réalisés en Suède, à Caen et en collaboration avec des laboratoires partenaires. Certains sujets ayant fait l’objet de publications détaillées seront brièvement abordés d’autres sujets ayant fait l’objet de moins de publications seront plus densément développés.

Photoacoustic imaging is a new hybrid imaging technique that provides images of optical absorption at centimeters depth in biological tissues with the resolution of ultrasound. Exogenous contrast agents such as gold nanoparticles can also be used to enhance image contrast and image disease-specific receptors. However, there is a trade-off between resolution and imaging depth. Moreover, specific detection of exogenous contrast agents often requires the use of multispectral imaging which can be challenging because of the complex propagation of light in biological tissues. This thesis presents a new approach to micron-scale optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) at centimeters depth based on a minimally-invasive endoscope, and experimentally investigates the possibility of improving gold nanospheres detection based on thermal nonlinear photoacoustic generation. It is first shown that OR-PAM images can be generated at the distal tip of a multimode fiber by use of digital phase conjugation. It is then shown that OR-PAM images can be transmitted through tissue in a silica-capillary acoustic waveguide for remote detection at the tissue surface. Preliminary experiments suggest that the two previous approaches could be combined in a setup based on a unique silica capillary acting both as an optical and an acoustic waveguide to acquire OR-PAM images at centimeters depth in tissues. Finally, it is shown that organic-dye and gold-nanospheres aqueous solutions can be discriminated thanks to thermal nonlinearity, based on the dependence of the photoacoustic amplitude with fluence or temperature.; L’imagerie photoacoustique est une technique hybride qui permet d’obtenir à plusieurs centimètres de profondeur dans les tissus biologiques des images de l’absorption optique avec la résolution des ultrasons. Des agents de contraste peuvent être utilisés pour améliorer le contraste ou imager des récepteurs spécifiques de maladies, mais il existe un compromis entre résolution et profondeur d’imagerie. Cependant, la détection spécifique d’agents de contraste peut nécessiter l’utilisation de l’imagerie multispectrale qui reste un défi à cause de la propagation complexe de la lumière dans les tissus biologiques. Cette thèse propose une nouvelle approche pour la microscopie photoacoustique à résolution optique (OR-PAM) de l’ordre du micron à plusieurs centimètres de profondeur dans les tissus, et étudie expérimentalement la possibilité d’améliorer la détection de nanosphères d’or grâce à la non-linéarité photoacoustique d’origine thermique. Il est d’abord montré que des images OR-PAM peuvent être générées à l’extrémité distale d’une fibre optique multimode grâce à la conjugaison de phase numérique. Il est ensuite montré que des images OR-PAM peuvent être transmises à travers les tissus en les guidant acoustiquement dans un capillaire de silice. Des expériences préliminaires suggèrent que les deux approches précédentes pourraient être combinées pour acquérir des images OR-PAM à travers plusieurs centimètres de tissus via un unique capillaire de silice. Enfin, il est montré que des solutions aqueuses de colorant et de nanosphères d’or peuvent être discriminées grâce à la non-linéarité thermique et la dépendance de l’amplitude photoacoustique avec la fluence ou la température.

Photoacoustic imaging is a new hybrid imaging technique that provides images of optical absorption at centimeters depth in biological tissues with the resolution of ultrasound. Exogenous contrast agents such as gold nanoparticles can also be used to enhance image contrast and image disease-specific receptors. However, there is a trade-off between resolution and imaging depth. Moreover, specific detection of exogenous contrast agents often requires the use of multispectral imaging which can be challenging because of the complex propagation of light in biological tissues. This thesis presents a new approach to micron-scale optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) at centimeters depth based on a minimally-invasive endoscope, and experimentally investigates the possibility of improving gold nanospheres detection based on thermal nonlinear photoacoustic generation. It is first shown that OR-PAM images can be generated at the distal tip of a multimode fiber by use of digital phase conjugation. It is then shown that OR-PAM images can be transmitted through tissue in a silica-capillary acoustic waveguide for remote detection at the tissue surface. Preliminary experiments suggest that the two previous approaches could be combined in a setup based on a unique silica capillary acting both as an optical and an acoustic waveguide to acquire OR-PAM images at centimeters depth in tissues. Finally, it is shown that organic-dye and gold-nanospheres aqueous solutions can be discriminated thanks to thermal nonlinearity, based on the dependence of the photoacoustic amplitude with fluence or temperature.; L’imagerie photoacoustique est une technique hybride qui permet d’obtenir à plusieurs centimètres de profondeur dans les tissus biologiques des images de l’absorption optique avec la résolution des ultrasons. Des agents de contraste peuvent être utilisés pour améliorer le contraste ou imager des récepteurs spécifiques de maladies, mais il existe un compromis entre résolution et profondeur d’imagerie. Cependant, la détection spécifique d’agents de contraste peut nécessiter l’utilisation de l’imagerie multispectrale qui reste un défi à cause de la propagation complexe de la lumière dans les tissus biologiques. Cette thèse propose une nouvelle approche pour la microscopie photoacoustique à résolution optique (OR-PAM) de l’ordre du micron à plusieurs centimètres de profondeur dans les tissus, et étudie expérimentalement la possibilité d’améliorer la détection de nanosphères d’or grâce à la non-linéarité photoacoustique d’origine thermique. Il est d’abord montré que des images OR-PAM peuvent être générées à l’extrémité distale d’une fibre optique multimode grâce à la conjugaison de phase numérique. Il est ensuite montré que des images OR-PAM peuvent être transmises à travers les tissus en les guidant acoustiquement dans un capillaire de silice. Des expériences préliminaires suggèrent que les deux approches précédentes pourraient être combinées pour acquérir des images OR-PAM à travers plusieurs centimètres de tissus via un unique capillaire de silice. Enfin, il est montré que des solutions aqueuses de colorant et de nanosphères d’or peuvent être discriminées grâce à la non-linéarité thermique et la dépendance de l’amplitude photoacoustique avec la fluence ou la température.

This thesis is based on the modeling of wave-matter interaction in nanostructured materials by the finite-difference time-domain (FDTD) associated with auxiliary differential equations (ADE). The developed numerical method was applied to two areas: (i) the study of waveguides co-doped with silicon nanograins and rare earth ions (photonics) and (ii) the study of optical properties of gold nanoparticles (plamonics).Waveguides co-doped with silicon nanograins and rare earth ions, which can be either erbium or neodymium ions were investigated numerically by means of a new algorithm based on the ADE-FDTD method. This allows us to characterize, for two rare earth, the propagation of the pump and the signal inside the waveguide as well as the achievable gross gain can be achieved. It has been shown that the reachable potential gross gain of a waveguide doped with neodymium ions is greater by one order of magnitude to the one of a waveguide doped with erbium ions.Individual structured gold nanoparticles have been studied numerically and the results were compared with measurements made by energy loss spectroscopy (EELS) mapping. The resonance energies found by the two approaches for different types of particles were found to be in very good agreement. Moreover, the dispersion relation of modes of nanowire found by EELS and ADE-FDTD has been confirmed by an analytical model. Finally array of gold nanoparticles have been modeled in order to obtain a Fano resonance., Ce travail de thèse est basé sur la modélisation de l'interaction onde-matière dans des matériaux nanostructurés par la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) associée à des équations différentielles auxiliaires (ADE). Le code de calcul développé a été appliqué à deux domaines: la photonique avec l'étude de guides d'onde co-dopés avec des nanograins de silicium et des ions de terres rares et la plasmonique avec l'étude de nanoparticules d'or. Des guides d'ondes co-dopés avec des nanograins de silicium et des ions de terres rares, pouvant être soit des ions erbium ou des ions néodyme, ont été étudiés numériquement. Pour cela un nouvel algorithme basé sur la méthode ADE-FDTD a été développé. Cela a permis de caractériser, en fonction de la terre rare, la propagation de la pompe et du signal dans le guide ainsi que le gain brute pouvant être atteint. Il a été montré notamment que le gain potentiel atteignable d'un guide d'onde dopé avec des ions néodymes est supérieur d'un ordre de grandeur par rapport à celui d'un guide d'onde dopé avec des ions erbiums. Des nanoparticules d'or individuelles ont été étudiées numériquement et les résultats ont été comparés à des mesures faites par spectroscopie de pertes d'énergies (EELS). Les énergies de résonance trouvée par les deux approches pour différentes formes de particules se sont révélées être en très bon accord. De plus, la relation de dispersion d'un nanofil trouvée par mesure EELS et ADE-FDTD a pu être vérifiée par un modèle analytique. Enfin des réseaux de nanoparticules d'or ont été modélisé dans le but d'obtenir une résonance de type Fano.

We consider the stability of the inverse problem consisting of the determination of a coefficient of order zero $q$, appearing in the Dirichlet initial-boundary value problem for a wave equation $\partial_t^2u-\Delta u+q(x)u=0$ in $(0,T)\times\Omega$, with $\Omega=\omega\times\mathbb{R}$ an unbounded cylindrical waveguide and $\omega$ a bounded smooth domain of $\mathbb{R}^2$, from boundary observations. The observation is given by the Dirichlet to Neumann map associated to the wave equation. Using suitable geometric optics solutions, we prove a Holder stability estimate in the determination of $q$ from the Dirichlet to Neumann map. Moreover, provided that the coefficient $q$ is lying in a set of functions $\mathcal A$, where, for any $q_1,q_2\in\mathcal A$, $|q_1-q_2|$ attains its maximum in a fixed bounded subset of $\overline{\Omega}$, we extend this result to the same inverse problem with measurements on a bounded subset of the lateral boundary $(0,T)\times\partial\Omega$.

In the ocean, temperature changes induce sound-speed perturbations. Ocean acoustic tomography uses the fluctuations of recorded acoustic signals, to map those sound-speed perturbations. To this end, sound-speed perturbations are classically related to the acoustic-wave travel-times measured on the records. This study suggests an alternative method to perform acoustic thermometry based on acoustic-wave propagation directions. It allows imaging a shallow-water waveguide (~100 m), at small scale (1 to 10 km), with high spatial resolution (10 m in range, 2 m in depth). In this context, wideband (~1.5 kHz) low frequency (~1 kHz) acoustic waves propagates along multiple paths similar to spatially « fat » geometrical rays. Using a pair of arrays (source/receiver) and the double-beamforming processing to separate acoustic signals coming from different paths and measure their: travel-time (TT), directions-of-arrival (DOA) and directions-of-departure (DOD). Under the hypothesis of small perturbations, TP, DOA and DOD variations are linearly related to sound-speed perturbations in an analytical way. This formulation based on Born's diffraction physics at the first order uses kernel functions called: the time-angle sensitivity kernels (T-A-SK). The T-A-SK model is then combined to classical inversion methods to retrieve sound-speed perturbations from TT, DOA and DOD variations. The methods developed here have been validated on simulated data, and applied on real small-scale data coming from the ultrasonic tank of the ISTerre, Grenoble., Dans l'océan, les changements de température induisent des perturbations de la vitesse de propagation des ondes acoustiques. La tomographie acoustique océanique utilise les fluctuations de signaux acoustiques enregistrés pour cartographier ces perturbations de vitesse du son. Cette étude propose une méthode alternative utilisant la direction de propagation des ondes acoustiques (plutôt que les temps de propagation utilisés classiquement) pour imager un guide d'onde océanique peu profond (~100 m), petite échelle (1 à 10 km), avec une haute résolution spatiale (10 m horizontalement, 2 m en profondeur). Dans ce contexte, les ondes acoustiques basse fréquence (~1 kHz) à large bande spectrale (~1.5 kHz) se propagent selon des trajectoires multiples assimilables à des rayons géométriques épais spatialement. L'utilisation d'un couple d'antennes (émission/réception) et de la double formation de voies permet de séparer les signaux en provenance des différents trajets acoustiques et de mesurer leur : temps de propagation (TP), direction d'arrivée (DA) et direction de départ (DD). Dans l'hypothèse de faibles perturbations, les variations des TP, DA et DD sont reliées linéairement aux perturbations de la distribution de vitesse du son de manière analytique. Cette formulation, basée sur la physique de la diffraction de Born au 1er ordre, utilise des fonctions noyaux appelées : noyaux de sensibilité temps-angles (NSTA). Les méthodes classiques d'inversion permettent alors de retrouver les perturbations de vitesse à partir des variations de TP, DA et DD en utilisant les NSTA. Les méthodes développées ont été validées sur données simulées, puis appliquées à des données réelles d'expériences à échelle réduites réalisées dans la cuve ultrasonore de l'ISTerre, Grenoble.

This thesis work focuses on the design, fabrication and measurement of Gallium Arsenide (GaAs) nano-optomechanical disk resonators. These disks are both GHz frequency mechanical resonators, and high Q (>10^5) optical whispering gallery mode resonators. By confining optical and mechanical energy on a sub-µm^3 volume, they enable extremely large optomechanical coupling strengths (g0>1 MHz). We present the technological developments which enabled the integration of these resonators with optical coupling waveguides directly on a semiconductor chip, while maintaining state of the art performance. We discuss the different optomechanical coupling mechanisms (radiation pressure, photoelasticity) in GaAs disks, as well as the sources of optical and mechanical dissipation in these resonators. We present as well optomechanical experiments in air and in a cryostat at low temperature, which go from the measurement of Brownian motion and the observation of dynamical back-action, to the first attempts to approach the quantum regime of mechanical displacement. Finally, we present an additional nano-optomechanical development carried out on the silicon nitride (SiN) platform, which lead to the fabrication of high Q on-chip whispering gallery mode resonators. After the study of the optical instability and self-pulsing dynamics of these resonators, we present the first signatures of dissipative optomechanical coupling in these systems., Ces travaux de thèse portent sur la conception, la fabrication et la caractérisation de résonateurs nano-optomécaniques sous forme de disques en arséniure de Gallium (GaAs). Ces disques sont à la fois des résonateurs mécaniques oscillant au GHz, et des résonateurs optiques à mode de galerie à haut facteur de qualité (>10^5). En confinant l'énergie mécanique et optique sur un volume sub-µm^3, ils permettent d'atteindre un couplage optomécanique extrêmement large (g0 >1 MHz). Nous présentons les développements technologiques ayant permis l'intégration de ces résonateurs avec des guides de couplage optique directement sur échantillon semi-conducteur, tout en maintenant des performances à l'état de l'art. Nous discutons les différents mécanismes de couplage optomécanique (pression de radiation, photoélasticité) dans les disques GaAs, ainsi que les sources de dissipation optique et mécanique dans ces résonateurs. Nous présentons également des expériences d'optomécanique à l'air libre et en cryostat à basse température, allant de la mesure du mouvement brownien et l'observation de rétroaction dynamique, jusqu'à des premières tentatives d'approche du régime quantique du mouvement. Enfin, nous présentons un développement nano-optomécanique complémentaire mené sur le matériau nitrure de silicium (SiN), aboutissant à la fabrication de résonateurs à mode de galerie sur puce à haut facteur de qualité. Après l'étude des instabilités optiques et de la dynamique d'auto-pulsation de ces résonateurs, nous présentons des premières signatures de couplage optomécanique dissipatif dans ces systèmes.

In the THz frequency gap between electronics and optics, the development of compact, tunable, less costly and room temperature operating sources, detectors, amplifiers and passive devices is growing. Electronic devices based on two dimensional (2D) plasmons in heterostructures open up the possibility of tunable emission and detection of THz radiation. For short distance THz transmission, the increased radiation loss as well as other types of loss (dielectric and ohmic loss) may handicap the applications of conventional planar waveguides well studied in the microwave band. Reevaluation of their propagation properties and comprehension of the physical nature of each kind of loss are necessary.This work is divided into two main sections. The first part deals with the optimization of THz resonant detection by quasi 2D plasmons-polaritons (PP) in the quantum wells (QW) among four heterostructures: III-V (AlGaN/GaN, InAlN/GaN, AlGaAs/GaAs) and IV-IV (SiGe/Si/SiGe). With the aid of metallic grating coupler, both ANSOFT HFSS and an indigenously developed program are used to investigate quantitatively the influences of structural parameters (grating period, metal strip width and thickness of barrier layer) and natural properties of 2D plasmons (electron concentration and mobility) on the PP resonances (frequency and amplitude) up to 5 THz. Transmission spectra of sample AlGaN/GaN have been measured by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) in 0.6-1.8 THz for various metal widths and at different temperatures to compare with the simulated results. At last, two types of modulated 2D electron gas in AlGaAs/GaAs are analyzed. One is the natural electron variation below and between metal fingers due to the difference between the barrier height at the interface metal/semiconductor and Fermi level pinning at the interface air/semiconductor. The other type is the forced modulated 2DEG by biasing voltage on metal fingers. These two parametric studies allow us to analyze and tune the frequency and amplitude of the THz detection. The second part separately studies the dispersions and attenuations of four waveguides (CPW, Microstrip, Stripline and Slotline) with the variation of geometric dimensions and properties of dielectric and metal by ANSOFT HFSS and CST MWS. Their performances are compared until 1 THz based on the same characteristic impedance. The advantages and the limitations of each waveguide are outlined and an optimal THz transmission line is proposed. Furthermore, preliminary measured attenuation of CPW in the frequency range 340-500 GHz are demonstrated and compared with numerical results. The design of transitions for adapting experimental probes by HFSS and the de-embedding method for extracting scattering and attenuation parameters of CPW by ADS are also presented..; Dans la gamme de fréquence térahertz (THz), les sources et les détecteurs couramment utilisés en optique et en électronique présentent une chute de performances. Mon travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la recherche de composants THz peu onéreux, compacts, accordables en fréquence et facile à intégrer. Le premier volet de mon travail de thèse concerne la détection THz et met à profit le couplage entre une onde incidente THz et des plasmons d’un gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) via des réseaux métalliques déposés au-dessus d’hétérostructures. Quatre puits quantiques à base de semi-conducteurs III/V(AlGaN/GaN, AlGaAs/GaAs, InAlN/GaN) et IV/IV (SiGe/Si/SiGe) ont été étudiés. Parmi les hétérostructures envisagées, celles réalisées à partir de matériaux III-N présentent les plus fortes résonances. Des mesures de spectre de transmission ont été effectuées avec un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) à température ambiante et cryogénique. Les modélisations numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une étude sur l’influence de la distribution homogène ou inhomogène du gaz d’électrons 2D est présentée. Le deuxième volet de la thèse concerne l’optimisation de la transmission THz. Les performances (dipsersions et les pertes) des guides d'onde planaires sont mal connues au THz. Nous avons choisi d’étudier des guides d’onde couramment utilisés en hyperfréquence. Dans un premier temps, la dispersion et les pertes (rayonnement, conduction et diélectrique) de lignes coplanaires (CPW) sur substrat polymère (BCB = benzocyclobutène) et substrat semiconducteur (InP) obtenues grâce à des modélisations numériques (Ansoft HFSS) entre 20 GHz et 1 THz sont présentées. Puis d’autres types de guides ont été envisagés tels que les lignes micro-ruban, à fente et triplaques sur substrat BCB avec HFSS et CST MWS. Leurs performances ont été comparées afin de dégager la structure la plus performante au THz. Des mesures entre 340 et 500 GHz ont pu aussi être réalisées pour les guides CPW. La comparaison avec les données numériques a montré un bon accord.

Surface plasmon polaritons are non radiative modes which exist at the interface between a dielectric and a metal. They can confine light at sub-wavelength scales. However, their propagation is restricted by the intrinsic losses of the metal which imply a rapid absorption of the mode. The aim of this thesis is the study of the coupling of surface plasmons in metallo-dielectric planar structures. Obtaining the properties of the modes implies the extension of the solutions to the complex plane of propagation constants. The method used consists in determining the poles of the scattering matrix by means of Cauchy's integrals. The first solution to solve the problem of propagation of the surface plasmons consists in coupling these modes to one another. In a symmetric medium, when the thickness of the metallic film becomes thin enough, the coupling between the plasmon modes which exist on each side becomes possible. One of the coupled modes which is created, the so-called long range surface plasmon, has a bigger propagation length than the usual plasmon whereas the other coupled mode, named short range surface plasmon, has a smaller propagation length. We present a configuration which allows the excitation of the long range surface plasmon without the short range mode with a metallic layer deposited on a perfect electric conductor substrate. This excitation can be done in air and allows applications, such as the detection and the characterisation of molecules. Then, we present the coupling between dielectric waveguides, and, in particular, the coupled-mode theory in the case of the transverse magnetic polarisation. We consider also the case of PT symmetric structure. The last part of this work presents the demonstration of the strong coupling regime between a surface plasmon and a guided mode. We demonstrate an increase of the propagation length of the hybrid surface plasmon, which still has the confinement of a surface mode. A linear gain is added in the different layers of the structure. When the gain is added in the layer between both coupled modes allows an enhancement of the propagation lengths of the modes, and more precisely of the hybrid surface plasmon mode, which can propagate at the millimeter scale., Les plasmons de surface sont des modes non-radiatifs qui vivent à l'interface d'un diélectrique et d'un métal. Ils peuvent confiner la lumière à des échelles sub-longueur d'onde. Néanmoins, leur propagation reste limitée par les pertes inhérentes au métal qui entraînent une absorption rapide du mode. L'objet de cette thèse est l'étude du couplage des plasmons de surface dans des structures planes métallo-diélectriques. L'obtention des propriétés des différents modes nécessite le prolongement des solutions dans le plan complexe définissant la constante de propagation. La méthode mise en œuvre consiste à déterminer les pôles de la matrice de diffusion en utilisant les intégrales de Cauchy. Une première solution pour résoudre le problème de propagation des plasmons de surface consiste à coupler ces modes entre eux. Dans un milieu symétrique, lorsque l'épaisseur d'un film métallique devient suffisamment faible, le couplage entre les modes plasmons existants sur chaque surface devient possible. L'un des deux modes couplés ainsi créé, dit plasmon longue portée, a une longueur de propagation supérieure à celle du plasmon de surface usuel tandis que l'autre, dit plasmon à courte portée, se propage moins. Nous présentons une configuration permettant l'excitation du mode longue portée sans le mode courte portée grâce à une couche métallique déposée sur un substrat infiniment conducteur. Cette excitation peut alors être effectuée dans l'air et permettre des applications comme la détection et la caractérisation de molécules. Ensuite, nous présentons le couplage entre deux guides d'ondes diélectriques, et plus particulièrement la théorie des modes couplés, étendue au cas de la polarisation transverse magnétique. Nous considérons aussi le cas de la PT symétrie. La dernière partie de ce mémoire présente la démonstration du régime de couplage fort entre un plasmon de surface et un mode guidé. Nous mettons alors en évidence une augmentation de la longueur de propagation pour le mode hybride plasmon dont le confinement reste celui d'un mode de surface. Un gain linéaire est ensuite ajouté dans les différentes couches de la structure pour en étudier l'effet. L'ajout de gain dans la couche intermédiaire entre les deux modes couplés a pour conséquence l'exaltation de la longueur de propagation des modes et plus particulièrement du mode hybride plasmon qui peut alors se propager au-delà du millimètre.

In the framework of this thesis, single InAs/GaAs quantum dot devices were studied by optical means. Starting with a general description of self-assembled InAs QDs, two types of single QD devices were presented. The first approach was a tapered GaAs photonic wire embedding single InAs QDs whose efficiency as a single photon source was previously shown to be 90%. We investigated several optical properties of the single QDs. The charged and neutral states of the QD were identified and selectively excited using quasi-resonant excitation.The first original result of this thesis is the observation of a continuous temporal blue-drift of the QD emission energy. We attributed this blue drift to oxygen adsorption onto the sidewall of the wire, which modified the surface charge and hence the electric field seen by the QD. Moreover, we demonstrated that a proper coating of the GaAs photonic nanowire surface suppressed the drift. The temperature effect on this phenomenon revealed an adsorption peak around 20K, which corresponds to the adsorption of oxygen on GaAs. This observation is in good agreement with previous temperature studies with a tapered photonic wire. This was the first study of the spectral stability of photonic wires embedding QDs, crucial for resonant quantum optics experiments. As an alternative, we took advantage of this temporal drift to tune QD emission energies. In a controlled way, we tuned into resonance two different QDs which were embedded in the same photonic nanowire. In the last part of this work, we studied the influence of the stress on single QDs contained in a trumpet-like GaAs photonic wire. The main effect of stress is to shift the luminescence lines of a QD. We applied the stress by exciting mechanical vibration modes of the wire. When the wire is driven at its the mechanical resonance the time-integrated photoluminescence spectrum is broaden up to 1 meV owing to the oscillating stress, The measured spectral modulation is a first signature of strain-mediated coupling between a mechanical resonator and embedded QD single light emitter. With a stroboscopic technique, we isolated a certain phase of the oscillating wire and thereby selected a value of QD emission energies. As a highlight of our study, we managed to bring two different QDs contained in the same wire into resonance by controlling their relative phase. In addition, we could extract the 2D spatial positioning of embedded QDs from the spectral shifts observed for two orthogonal mechanical polarizations.. The investigation of the strain-mediated tuning of QDs can, therefore, be an effective tool to explore the QD positions without destroying the sample.; Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques de boîtes quantiques InAs/GaAs contenues dans un fil photonique. Des résultats antérieurs à cette thèse ont montré que ces fils photoniques permettent d’extraire les photons avec une efficacité très élevée.Le premier résultat original de ce travail est l’observation de la dérive temporelle de la raie d’émission de la photoluminescence d’une boîte quantique. Cet effet a été attribué à la lente modification de la charge de surface du fil due à l’absorption des molécules d’oxygène présentes dans le vide résiduel du cryostat. Nous avons montré qu’une fine couche de Si3N4 permettait de supprimer cette dérive. La dérive temporelle pouvant être différente pour différentes boites quantiques, nous avons pu tirer partie de cet effet pour mettre en résonance deux boites quantiques contenues dans le même fil.Le deuxième résultat original est la mise en évidence de la modification de l’énergie d’émission d’une boîte quantique soumise à une contrainte mécanique induite par la vibration du fil. Nous avons observé que le spectre de la raie d’émission d’une boîte quantique s’élargit considérablement lorsque le fil est mécaniquement excité à sa fréquence de résonance. A l’aide d’une illumination stroboscopique synchronisée avec l’excitation mécanique, nous avons pu reconstruire l’évolution du spectre d’une boîte quantique au cours d’une période de la vibration mécanique. L’amplitude de l’oscillation spectrale de la raie de luminescence dépend de la position de la boîte dans le fil à cause d’un très fort gradient de contrainte. En utilisant deux modes d’oscillation mécanique de polarisations linéaires et orthogonales, nous pouvons extraire une cartographie complète de la position des boîtes quantiques à l’intérieur du fil. Enfin, grâce à ce gradient, on peut, dans certains cas, trouver une position du fil pour laquelle deux boites quantiques peuvent être amenées en résonance.

The aim of this thesis was to highlight the possibility of using semiconductor quantum dots as the realization of quantum bits, building blocks of quantum information. We have demonstrated the feasibility of establishing a two-level system, which can be initialised and control ed using picosecond light pulses and then determined the time during which we were able to maintain its coherence. Rabi oscillations between the ground state and the excited level allow us to initialize the system in a coherent superposition which can then be manipulated by a second pulse in coherent control experiments. The system coherence time T2 is not only limited by the radiative lifetime T1 and remains well below the theoretical value T2 = 2T1. Different mechanisms of decoherence taking place were therefore studied, in particular the role of acoustic phonons, reponsible of a strong Rabi oscillations damping and a decrease of the coherence time for some of the quantum dots studied. However, in some cases we found proof of additional mechanisms related to the dots fluctuating electrostatic environment. In addition, a detailed study of dots emission polarization showed a tilt of eigenstates of the fine structure of the exciton, as well as a modification of their emission intensity, indicating a strong mixing in the valence band, between heavy holes and light holes; Le but de cette thèse a été de mettre en évidence notre capacité à utiliser des boîtes quantiques semi-conductrices comme support à la réalisation de bits quantiques, briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons ainsi démontré la possibilité de définir un système à deux niveaux, dont l'initialisation et le contrôle est réalisable au moyen d'impulsions lumineuses picosecondes et déterminé le temps durant lequel nous étions en mesure de conserver sa cohérence. Les oscillations de Rabi entre niveau fondamental et niveau excité permettent d'initialiser le système dans une superposition cohérente pouvant être ensuite manipulée par une deuxième impulsion au cours d'expériences de contrôle cohérent. Le temps de cohérence T2 du système n'est pas seulement limité par la durée de vie radiative T1 et reste très inférieur à la valeur théorique T2= 2T1. Les différents mécanismes de décohérence entrant en jeu ont dès lors été étudiés, en particulier le rôle des phonons acoustiques, responsables d'un fort amortissement des oscillations de Rabi et d'une diminution du temps de cohérence pour une partie des boîtes quantiques étudiées. Nous avons cependant dans certains cas mis en évidence la présence de mécanismes supplémentaires, liés aux fluctuations de l'environnement électrostatique des boîtes. Par ailleurs, une étude poussée de la polarisation de la luminescence émise par ces boîtes, dont la croissance a été réalisée en régime Stranski-Krastanov, a révélé une inclinaison des états propres de la structure fine de l'exciton, ainsi qu'une modification de leur intensité d'émission, témoignant d'un fort mélange des états lourds et légers de la bande de valence

The aim of this thesis was to highlight the possibility of using semiconductor quantum dots as the realization of quantum bits, building blocks of quantum information. We have demonstrated the feasibility of establishing a two-level system, which can be initialised and control ed using picosecond light pulses and then determined the time during which we were able to maintain its coherence. Rabi oscillations between the ground state and the excited level allow us to initialize the system in a coherent superposition which can then be manipulated by a second pulse in coherent control experiments. The system coherence time T2 is not only limited by the radiative lifetime T1 and remains well below the theoretical value T2 = 2T1. Different mechanisms of decoherence taking place were therefore studied, in particular the role of acoustic phonons, reponsible of a strong Rabi oscillations damping and a decrease of the coherence time for some of the quantum dots studied. However, in some cases we found proof of additional mechanisms related to the dots fluctuating electrostatic environment. In addition, a detailed study of dots emission polarization showed a tilt of eigenstates of the fine structure of the exciton, as well as a modification of their emission intensity, indicating a strong mixing in the valence band, between heavy holes and light holes; Le but de cette thèse a été de mettre en évidence notre capacité à utiliser des boîtes quantiques semi-conductrices comme support à la réalisation de bits quantiques, briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons ainsi démontré la possibilité de définir un système à deux niveaux, dont l'initialisation et le contrôle est réalisable au moyen d'impulsions lumineuses picosecondes et déterminé le temps durant lequel nous étions en mesure de conserver sa cohérence. Les oscillations de Rabi entre niveau fondamental et niveau excité permettent d'initialiser le système dans une superposition cohérente pouvant être ensuite manipulée par une deuxième impulsion au cours d'expériences de contrôle cohérent. Le temps de cohérence T2 du système n'est pas seulement limité par la durée de vie radiative T1 et reste très inférieur à la valeur théorique T2= 2T1. Les différents mécanismes de décohérence entrant en jeu ont dès lors été étudiés, en particulier le rôle des phonons acoustiques, responsables d'un fort amortissement des oscillations de Rabi et d'une diminution du temps de cohérence pour une partie des boîtes quantiques étudiées. Nous avons cependant dans certains cas mis en évidence la présence de mécanismes supplémentaires, liés aux fluctuations de l'environnement électrostatique des boîtes. Par ailleurs, une étude poussée de la polarisation de la luminescence émise par ces boîtes, dont la croissance a été réalisée en régime Stranski-Krastanov, a révélé une inclinaison des états propres de la structure fine de l'exciton, ainsi qu'une modification de leur intensité d'émission, témoignant d'un fort mélange des états lourds et légers de la bande de valence