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Nonlinear optics has been a productive field of research and investigation for a few decades now, but the rapid progression of photonic integration platforms in recent years has opened up a whole new range of applications. On-chip integration of effective saturable absorbers and secondary sources including Brillouin laser, supercontinua, or frequency combs are few examples of the very wide possibilities offered by nonlinear nanophotonics. In this context, materials with large third-order optical nonlinearities become highly sought after, as they enable the development of nonlinear functionalities at low input powers. Given a large number of potential candidates as material for nonlinear nanophotonics, it becomes even more important to be able to measure their nonlinear optical response.The two most common techniques for measuring the optical nonlinearity of materials are the Z-scan and four wave mixing (FWM) techniques. The Z-scan method can only be applied to bulk materials, and not to optical waveguides such as the ones used in nanophotonics. In contrast, FWM can measure nonlinearities in waveguides but requires a phase matching, waveguides with low losses and high optical power.This thesis report an interferometric technique relied on heterodyne detection to measure the Kerr index of nonlinear materials. The different stages of the technique implementation have been presented as well as the data processing method. We applied this technique to nonlinear materials of different compositions such as silicon nitride, chalcogenides and silicon-on-insulator. The heterodyne interferometer is not only suitable for integrated waveguides but also for fibers and microfibers. This method has the advantage of being highly sensitive, and is therefore well-adapted to short waveguides or lossy materials. Such a tool would be useful to control nonlinearity and of great help in the development of new materials for integrated photonics., La progression rapide de la photonique intégrée ces dernières années a ouvert un large éventail d’applications. L’intégration sur puce des absorbants saturables ou des sources secondaires comme le laser Brillouin, le supercontinuum ou les peignes de fréquence sont quelques exemples. Dans ce contexte, les matériaux présentant une grande non-linéarité optique du troisième ordre sont de plus en plus recherchés, comme le silicium ou les verres de chalcogénure. En effet, ils permettent le développement des fonctionnalités non-linéaires à une basse puissance injectée. Compte tenu du grand potentiel de ces matériaux pour la nanophotonique non-linéaire, il s’avère encore plus important de développer des méthodes de mesure pour déterminer la réponse optique non-linéaire de ces matériaux.À ce jour, parmi les techniques les plus courantes pour mesurer la non-linéarité, on retient la méthode Z-scan, qui est utilisée uniquement pour des matériaux bruts, et la méthode du mélange à quatre ondes (FWM) qui est compatible avec les guides d’ondes, mais requiert un accord de phase et des guides avec très peu de pertes, ce qui nécessite de disposer d’une filière technologique de nanofabrication déjà mature.Nous rapportons dans cette thèse, une méthode interférométrique basée sur la détection hétérodyne pour la mesure de l’indice Kerr des matériaux non-linéaires. Les différentes étapes de la mise en place de la technique et le procédé de traitement de données ont été détaillés dans ce manuscrit. La méthode a été appliquée à des matériaux non-linéaires de différentes compositions comme le nitrure de silicium, les chalcogénures et le silicium-sur-isolant, où certains d’entre eux présentent de l’absorption à deux photons que nous avons mesurée avec cette même technique. L’interféromètre hétérodyne est adapté à des guides d’ondes intégrés, mais aussi à d’autres structures guidantes telles que des fibres macroscopiques ou des microfibres. Cette technique extrêmement sensible permet de mesurer des petits déphasages non-linéaires à des puissances modérées et pour des guides présentant des grandes pertes de propagation. Un tel outil serait utile pour contrôler la non-linéarité et pour participer au développement de nouveaux matériaux pour la photonique intégrée.

Biosensors are devices used to detect the presence of biomolecules in a sensing field, which can be a liquid or a gas. The use of integrated optics allows to exploit various interactions of biomolecules with propagated light in compact and easily realizable guiding structures, such as micro-resonators. In this thesis, we use porous silicon in the fabrication of our optical transducers for biosensors. It is a biocompatible material with a large specific surface on which molecules can be grafted. It also allows to exploit the surface detection of biomolecules directly in the volume of the material because of its porous nature. The material must first get a biofunctionalization process to allow the infiltration of molecules in the pores that compose it. Using a photolithography process, micro-resonators are fabricated to be used as transducers for the surface detection of BSA. The presence of the protein in the detection field will induce a quantifiable change in the properties of the transducers related to the concentration of BSA. A sensitivity of more than 1000 nm/RIU could be obtained and is better than the state of the art. The realization of a hybrid structure based on porous silicon and polymers is studied. The advantage of the coupled use of porous silicon and polymers is to allow the reduction of propagation losses while improving the performances of this type of biosensor.; Les biocapteurs sont des dispositifs servant à détecter la présence de biomolécules dans un milieu de détection, qui peut être un liquide ou un gaz. L’utilisation de l’optique intégrée permet d’exploiter diverses interactions des biomolécules avec la lumière propagée dans des structures guidantes compactes et facilement réalisables, comme le sont les micro-résonateurs. Dans cette thèse, nous utilisons du silicium poreux dans la fabrication de nos transducteurs optiques composant les biocapteurs. Il s’agit d’un matériau biocompatible présentant une surface spécifique importante sur laquelle peuvent être greffées des molécules. Il permet aussi d’exploiter la détection surfacique de biomolécules directement dans le volume du matériau de par sa nature poreuse. Le matériau a au préalable besoin de subir un procédé de biofonctionnalisation pour permettre l’infiltration de molécules dans les pores qui le compose. En utilisant un procédé de photolithographie, des micro-résonateurs sont fabriqués pour être utilisés comme transducteurs pour la détection surfacique de BSA. La présence de la protéine dans le milieu de détection va induire une modification quantifiable des propriétés des transducteurs et liée à la concentration de la BSA. Une sensibilité de plus de 1000 nm/UIR a pu être obtenue et se révèle meilleure que l’état de l’art. La réalisation d’une structure hybride à base de silicium poreux et de polymères est étudiée. L’avantage de l’utilisation couplée du silicium poreux et des polymères est de permettre la réduction des pertes de propagation tout en améliorant les performances de ce type de biocapteur.

The CEA-LETI research institute recently developed a novel retinal projection concept. The projection system is embedded on transparent glasses for augmented reality (AR) applications. The CEA-LETI concept aims to overcome current limitations of already commercialized AR glasses, such as complex and bulky optics. It uses a self-focusing effect to generate images directly on the retina of a user without any artificial optical components, allowing the creation of a fully integrated and portable device. The concept is separated into two main parts : an integrated photonic circuit and an analog hologram. This thesis focuses on the first part, i.e. the photonic circuit. The hologram is developed in parallel of the thesis by other team members. The thesis allowed to design, fabricate and experimentally characterize a design kit made of basic photonic components (ex : singlemode waveguide, various couplers, active optical switches…). They can be assembled in order to design the complex photonic circuit of the final retinal projection device. The photonic components are made of Si3N4 and were optimized to work specifically at λ = 532 nm (green). They were fabricated in clean rooms on 200 mm wafer platforms at the CEA-LETI and STMicroelectronics fabrication facilities. The characterization of the components was carried out with an automated optical prober and a goniometer. The goniometer was entirely designed and fabricated during the thesis for the purpose and the specific needs of this project. Finally, a simple applicative photonic circuit was designed to study the interaction between our photonic circuits and the analog hologram.; L’institut de recherche du CEA-LETI a récemment développé un nouveau concept de projection rétinienne. Ce système de projection est embarqué sur un verre de lunette transparent et vise des applications pour la réalité augmentée (RA). Le concept du CEA-LETI est en rupture par rapport au fonctionnement d’autres lunettes RA déjà disponibles sur le marché. Notamment, il doit permettre de générer et de focaliser des images directement sur la rétine de l’observateur (effet d’auto-focalisation) sans utiliser d’éléments d’optique qui peuvent s’avérer complexes et volumineux (ex : combineurs optiques, lentilles etc.). Cela permet d’obtenir un dispositif complètement intégré qui se veut facile à porter et à accepter socialement. Le concept est composé de deux parties principales : un circuit photonique intégré et un hologramme analogique. Cette thèse se concentre sur le développement du circuit photonique. La partie holographique est développée en parallèle de la thèse par d’autres membres de l’équipe de recherche. Les travaux de thèse ont permis de concevoir, de fabriquer et de caractériser expérimentalement une bibliothèque de blocs photoniques de base (ex : guides d’onde monomodes, coupleurs, commutateurs actifs etc.). Ceux-ci pourront être assemblés pour former le circuit photonique applicatif final du projet à court terme. Les composants sont formés de Si3N4 et ont été optimisés pour fonctionner à λ = 532 nm (vert). Leur fabrication s’est déroulée en salle blanche sur des plaques 200 mm à l’aide des plateformes du CEA-LETI et de STMicroélectronique. La caractérisation expérimentale des composants photoniques a été complétée à l’aide d’un prober optique automatisé et d’un goniomètre. Ce dernier est un outil de caractérisation entièrement conçu pendant la thèse et qui répond aux besoins spécifiques en caractérisation du projet. Enfin, un circuit applicatif simple a été conçu pour étudier l’interaction entre les circuits photoniques et les hologrammes analogiques.

Photonics is replacing electronics for a number of applications ranging from smart cities to the Internet of Things. There is a need for very specific architectures that are not easily accessible to clean room manufacturing. Major bottlenecks need to be overcome, such as the production of waveguides in non-standard electro-optical (EO) materials or polarization control with thin waveplates. My thesis proposes solutions to these challenges through two innovations, with the ultimate goal of opening towards hybrid 3D photonic integrated circuits.The first innovation is the development of generic machining technologies of substrate for the production of a new range of electro-photonic guides. We will be particularly interested in the cubic electro-optical material BSO (Bismuth and Silicon Oxide) and lithium niobate (LN).In particular, we will show the first EO waveguide modulators in BSO, realized from original fabrication techniques using the precision dicing saw. The second innovation is based on integrated polarization control techniques compatible with industrial fabrication, based on thin films to develop waveplates blades or ultra-thin polarizers based on metasurfaces.An industrial application is targeted for demonstration: low-invasive and temperature-independent detection of electric fields. Based on two complementary technologies: the first one based on BSO, and the second one based on LN, we will show how to develop electro-optical sensors with low birefringence, thus ensuring a low temperature dependence.This thesis is part of the ANR CEPAGE in collaboration with four companies: iXBlue PSD, Kapteos, Kylia and FEMTO-engineering)., Alors que la photonique se substitue à l'électronique pour nombres d'applications allant des cités intelligentes aux objets connectés, il existe un besoin d'architectures très spécifiques et difficilement accessibles à la fabrication en salle blanche. Des verrous majeurs sont à lever, tels que la production de guides d'ondes dans des matériaux électro-optiques (EO) non standards ou le contrôle de polarisation par lames minces. Ma thèse propose des solutions à ces défis par deux innovations, dans le but, à terme, d'ouvrir vers les circuits photoniques intégrés 3D hybrides.La première innovation est le développement de technologies d'usinages génériques pour la production d'une nouvelle gamme de guides électro-photoniques. Nous nous s'intéresserons particulièrement au matériau électro-optique cubique qu'est le BSO (Oxyde de Bismuth et de Silicium) et le niobate de lithium (LN).En particulier nous montrerons les premiers modulateurs EO dans le BSO, réalisés à partir de techniques de fabrications originales exploitant la scie circulaire de précision. La deuxième innovation repose sur les techniques de contrôle de polarisation intégrées compatibles avec une fabrication industrielle, à base de couches minces pour développer lames à retard ou polariseurs ultra-fins basé sur des métasurfaces.Une application industrielle est ciblée pour démonstration : la détection faiblement invasive et indépendante en température des champs électriques. En prenant appui sur deux technologies complémentaires : la première à base de BSO, et la deuxième à base de LN, nous montrerons comment développer des capteurs électro-optiques à faible biréfringence, assurant ainsi une faible dépendance en température.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l’ANR CEPAGE en collaboration avec quatre sociétés : iXBlue PSD, Kapteos, Kylia et FEMTO-engineering).

Nowadays to design photonic devices, it is important to have reliable and efficient simulation tools. In fact, if exploiting the technological grids of the design parameters is considered possible for the simple devices, its cost in terms of number of tests becomes an obstacle to the optimization of the structures. Therefore, it is essential to develop fully vectorial simulations, with complex or/and real refractive indices materials, to guarantee that all the propagation modes (guided, radiated and evanescent modes) are taken into account. The simulations of the structures with high contrast refractive index (Silicon photonics for example) or structures using metallic layer and generating plasmonic modes or sub-wavelength structures like metamaterials are a set of examples that requires the use of these tools. These methods can be differentiated by their used calculation algorithm: calculation in the frequency domain by finite differences or finite elements, Fourier based methods, or calculation in the temporal domain with the finite difference method... For example, the FDTD has become in the recent years a reference tool in the domain of silicon photonics. However, almost all these methods are not necessarily optimal. They can be distinguishable by the required numerical resources, particularly in terms of the used memory, the execution time, the take into account of the boundary conditions, the discretization of the structure, or their workspace domain (spectral or spatial) ... Over the last fifteen years, the group involved with the development of electromagnetic tools in the laboratory (IMEP-Lahc), headed towards the development of RCWA based numerical tools to simulate and design the optical response of diffractive and guided optic structures. However, this last method as the FDTD can generate approximations inducing inaccuracies or an increase in the numerical resources used for certain configurations (memory, execution time...). The objective of this thesis is to develop a more general tool aiming to reduce these imperfections while retaining the possibility of using it on a multitude of photonics applications (diffractive optics, guided optics, etc.). My choice fell on the differential method which is widely used for the study of diffraction gratings. This method can be more efficient than the RCWA but it also has limitations especially for the simulation of periodic structures with complex profile in TM polarization. Since the 2000s, the association of a new module called FFF (Fast Fourier Factorization) has solved this problem and opened up new possibilities for this method. After a general introduction, the differential method associated with the FFF is presented in detail. Then, a simple and fast solution which makes the use of this method with metals having a purely real and negative permittivity is proposed and solve the problem of divergence faced before. Consequently, a complete study of a dielectric diffractive structure visual security applications is subsequently detailed. Moreover, the developed code of the DM-FFF is integrated in neural networks algorithm for optimal modeling and design of visual security structures. Finally, to meet the condition of generalizing the method for the different photonic structures (guided and diffractive), a coordinate transform inspired from the aperiodic FMM was implemented in the algorithm of the DM-FFF transforming the last one into an aperiodic method for the simulation of 2D integrated optical structures for complex, non-isotropic and non-magnetic materials. The decomposition of the propagation of eigenmode basis can provide access to information which are not directly provided by the FDTD for example (guided modes, radiated modes …). More precise, faster and more rigorous results were obtained compared to a-FMM especially in TM polarization with curvilinear profiles such as the case of cylindrical structures., Pour concevoir au mieux des dispositifs photoniques, il est important d’avoir des outils de modélisation fiables et efficaces. En effet si le quadrillage de paramètres technologiques est envisageable pour des dispositifs simples, son coût en nombre de tests devient rapidement un frein à l’optimisation de structures. Il devient donc indispensable de disposer de simulations totalement vectorielles, avec des matériaux à indices de réfraction complexes, de garantir la prise en compte de l’ensemble des modes de propagation (modes guidés, rayonnés et évanescents), bidirectionnelles … La simulation de structures à fort contraste d’indice de réfraction (photonique sur silicium) ou les structures utilisant des motifs métalliques générant des modes plasmoniques ou des motifs sub-longueur d’onde comme les métamatériaux … est un ensemble d’exemples qui nécessite l’utilisation de ces outils. Ces derniers se différencient par leur méthode de calcul utilisée : calcul dans le domaine fréquentiel par différences finies ou éléments finis, méthode temporelle par la méthode des différences finies … Par exemple, la FDTD est devenue ces dernières années un outil de référence dans le milieu de la photonique sur silicium. Cependant, ces méthodes ne sont pas forcément optimales. Elles diffèrent par les ressources numériques nécessaires notamment sur la mémoire utilisée, le temps de calcul, la prise en comptes des conditions de continuité, la discrétisation de la structure ainsi que leur domaine d’application (spectral ou spatial) … Ces quinze dernières années au sein du laboratoire (IMEP-Lahc), des outils basés sur la RCWA ont été développés dans ce sens pour simuler des structures très différentes allant de l’optique diffractive à l’optique guidée. Néanmoins, cette méthode comme la FDTD peut générer des approximations induisant des imprécisions ou une augmentation des ressources numériques utilisées dans certaines configurations. L’objectif de cette thèse est de développer un outil plus général dans le but de réduire ces imperfections tout en gardant la possibilité de l’utiliser sur une multitude d’applications de la photonique (optique diffractive, optique guidée …). Mon choix s’est porté sur la méthode différentielle largement utilisée pour l’étude des réseaux de diffraction. Cette méthode peut être plus efficace que la RCWA mais peut avoir aussi des limites pour la simulation de structures à profil complexe notamment en polarisation TM. Depuis les années 2000, l’ajout d’un nouveau module dénommé FFF (Fast Fourier Factorisation), permet de résoudre cette problématique et ouvrir de nouvelles potentialités à cette méthode. Après une introduction générale, la méthode différentielle associée à la FFF est présentée en détails. Ensuite, une solution simple et rapide qui permet de résoudre le problème des divergences numériques dans le cas des métaux ayant une permittivité purement réelle et négative est proposée. Puis, l’étude complète d’une structure diffractive diélectrique utilisée pour des applications de sécurité visuelle est proposée. La simulation de la structure diffractive est associée à un module utilisant un réseau de neurones pour le design et la modélisation optimale de ces structures. Finalement, pour adapter la méthode aux structures photoniques guidées, une transformée de coordonnées inspirée par la FMM apériodique a été implémentée dans l’algorithme de la MD-FFF transformant cette dernière en une méthode apériodique pour la simulation 2D de structures optiques intégrées utilisant des matériaux à indice de réfraction complexe, non-isotropes et non-magnétiques. La décomposition de la propagation sur une base de modes propres peut permettre d’accéder à des informations non directement accessibles avec la FDTD par exemple. Des résultats plus précis, plus rapides et plus rigoureux ont été obtenues par rapport à laFMM notamment en polarisation TM avec des profils curvilignes comme dans le cas des structures cylindriques.

Nowadays to design photonic devices, it is important to have reliable and efficient simulation tools. In fact, if exploiting the technological grids of the design parameters is considered possible for the simple devices, its cost in terms of number of tests becomes an obstacle to the optimization of the structures. Therefore, it is essential to develop fully vectorial simulations, with complex or/and real refractive indices materials, to guarantee that all the propagation modes (guided, radiated and evanescent modes) are taken into account. The simulations of the structures with high contrast refractive index (Silicon photonics for example) or structures using metallic layer and generating plasmonic modes or sub-wavelength structures like metamaterials are a set of examples that requires the use of these tools. These methods can be differentiated by their used calculation algorithm: calculation in the frequency domain by finite differences or finite elements, Fourier based methods, or calculation in the temporal domain with the finite difference method... For example, the FDTD has become in the recent years a reference tool in the domain of silicon photonics. However, almost all these methods are not necessarily optimal. They can be distinguishable by the required numerical resources, particularly in terms of the used memory, the execution time, the take into account of the boundary conditions, the discretization of the structure, or their workspace domain (spectral or spatial) ... Over the last fifteen years, the group involved with the development of electromagnetic tools in the laboratory (IMEP-Lahc), headed towards the development of RCWA based numerical tools to simulate and design the optical response of diffractive and guided optic structures. However, this last method as the FDTD can generate approximations inducing inaccuracies or an increase in the numerical resources used for certain configurations (memory, execution time...). The objective of this thesis is to develop a more general tool aiming to reduce these imperfections while retaining the possibility of using it on a multitude of photonics applications (diffractive optics, guided optics, etc.). My choice fell on the differential method which is widely used for the study of diffraction gratings. This method can be more efficient than the RCWA but it also has limitations especially for the simulation of periodic structures with complex profile in TM polarization. Since the 2000s, the association of a new module called FFF (Fast Fourier Factorization) has solved this problem and opened up new possibilities for this method. After a general introduction, the differential method associated with the FFF is presented in detail. Then, a simple and fast solution which makes the use of this method with metals having a purely real and negative permittivity is proposed and solve the problem of divergence faced before. Consequently, a complete study of a dielectric diffractive structure visual security applications is subsequently detailed. Moreover, the developed code of the DM-FFF is integrated in neural networks algorithm for optimal modeling and design of visual security structures. Finally, to meet the condition of generalizing the method for the different photonic structures (guided and diffractive), a coordinate transform inspired from the aperiodic FMM was implemented in the algorithm of the DM-FFF transforming the last one into an aperiodic method for the simulation of 2D integrated optical structures for complex, non-isotropic and non-magnetic materials. The decomposition of the propagation of eigenmode basis can provide access to information which are not directly provided by the FDTD for example (guided modes, radiated modes …). More precise, faster and more rigorous results were obtained compared to a-FMM especially in TM polarization with curvilinear profiles such as the case of cylindrical structures.; Pour concevoir au mieux des dispositifs photoniques, il est important d’avoir des outils de modélisation fiables et efficaces. En effet si le quadrillage de paramètres technologiques est envisageable pour des dispositifs simples, son coût en nombre de tests devient rapidement un frein à l’optimisation de structures. Il devient donc indispensable de disposer de simulations totalement vectorielles, avec des matériaux à indices de réfraction complexes, de garantir la prise en compte de l’ensemble des modes de propagation (modes guidés, rayonnés et évanescents), bidirectionnelles … La simulation de structures à fort contraste d’indice de réfraction (photonique sur silicium) ou les structures utilisant des motifs métalliques générant des modes plasmoniques ou des motifs sub-longueur d’onde comme les métamatériaux … est un ensemble d’exemples qui nécessite l’utilisation de ces outils. Ces derniers se différencient par leur méthode de calcul utilisée : calcul dans le domaine fréquentiel par différences finies ou éléments finis, méthode temporelle par la méthode des différences finies … Par exemple, la FDTD est devenue ces dernières années un outil de référence dans le milieu de la photonique sur silicium. Cependant, ces méthodes ne sont pas forcément optimales. Elles diffèrent par les ressources numériques nécessaires notamment sur la mémoire utilisée, le temps de calcul, la prise en comptes des conditions de continuité, la discrétisation de la structure ainsi que leur domaine d’application (spectral ou spatial) … Ces quinze dernières années au sein du laboratoire (IMEP-Lahc), des outils basés sur la RCWA ont été développés dans ce sens pour simuler des structures très différentes allant de l’optique diffractive à l’optique guidée. Néanmoins, cette méthode comme la FDTD peut générer des approximations induisant des imprécisions ou une augmentation des ressources numériques utilisées dans certaines configurations. L’objectif de cette thèse est de développer un outil plus général dans le but de réduire ces imperfections tout en gardant la possibilité de l’utiliser sur une multitude d’applications de la photonique (optique diffractive, optique guidée …). Mon choix s’est porté sur la méthode différentielle largement utilisée pour l’étude des réseaux de diffraction. Cette méthode peut être plus efficace que la RCWA mais peut avoir aussi des limites pour la simulation de structures à profil complexe notamment en polarisation TM. Depuis les années 2000, l’ajout d’un nouveau module dénommé FFF (Fast Fourier Factorisation), permet de résoudre cette problématique et ouvrir de nouvelles potentialités à cette méthode. Après une introduction générale, la méthode différentielle associée à la FFF est présentée en détails. Ensuite, une solution simple et rapide qui permet de résoudre le problème des divergences numériques dans le cas des métaux ayant une permittivité purement réelle et négative est proposée. Puis, l’étude complète d’une structure diffractive diélectrique utilisée pour des applications de sécurité visuelle est proposée. La simulation de la structure diffractive est associée à un module utilisant un réseau de neurones pour le design et la modélisation optimale de ces structures. Finalement, pour adapter la méthode aux structures photoniques guidées, une transformée de coordonnées inspirée par la FMM apériodique a été implémentée dans l’algorithme de la MD-FFF transformant cette dernière en une méthode apériodique pour la simulation 2D de structures optiques intégrées utilisant des matériaux à indice de réfraction complexe, non-isotropes et non-magnétiques. La décomposition de la propagation sur une base de modes propres peut permettre d’accéder à des informations non directement accessibles avec la FDTD par exemple. Des résultats plus précis, plus rapides et plus rigoureux ont été obtenues par rapport à laFMM notamment en polarisation TM avec des profils curvilignes comme dans le cas des structures cylindriques.

Recent progress in quantum physics predicts a future revolution in the fields of communication, sensing, computing and simulation which rely on our hability to generate and control quantum states such as entanglement. Discovered more than thirty years ago, squeezed light has rapidly became an important tool for the implementation of quantum technologies, but its use still suffers from a lack of compactness wich limits the growth of quantum photonics realisations. To tackle this issue, we developpe a compact photonic platform to generate and detect squeezed light at telecom wavelengths. It is build upon an association between off the shelf telecom components and integrated optics on lithium niobate (LiNbO3) allowing a compact, and easy reconfigurable setup, without any alignment (plug-and-play). With this original aprroach, we directly measure up to -2dB shot noise reduction for a CW pump power of 40 mW, opening the way to out-of-the lab continuous variable experimentations.In order to fully understand the limits of our experimental setup, we also investigate the photorefractive properties of the LiNbO3, which means his intensity dependant refractive index. This effect could be a great issue in CV experiments, where high pump powers near visible wavelengths are needed. For this reason, we also study precisely the photorefraction in order to optimise the generation and the detection of squeezed light in integrated lithium niobate photonics circuits.; Les récents progrès de la physique quantique en matière de manipulations d'objets quantiques individuels et/ou collectifs promettent une révolution dans les domaines de la communication, de la métrologie, de l'informatique et de la simulation. Plus spécifiquement, l'avènement des nouvelles technologies quantiques repose sur la génération, la manipulation et le contrôle d'états quantiques tels que l'intrication. Découverte il y a plus de 30 ans, la lumière comprimée s'est imposée comme un outil de choix pour la mise en œuvre des technologies quantiques, mais son utilisation souffre encore aujourd'hui d'un manque crucial de compacité, freinant ainsi la croissance de certaines réalisations en photonique quantique.Pour pallier ce problème, nous avons développé une plateforme photonique compacte de génération et de détection de lumière comprimée aux longueurs d’ondes des télécommunications. Elle repose sur le mariage entre les composants à fibre optique standards à 1550 nm et de l'optique intégrée sur niobate de lithium (LiNbO3), permettant d'obtenir un montage compact, facilement reconfigurable sans qu'aucun alignement ne soit nécessaire (plug-and-play). Grâce à cette approche, nous avons pu mesurer jusqu’à -2 dB de compression pour une puissance de pompe continue de 40 mW, ouvrant ainsi la voie vers la réalisation de systèmes compacts de variables continues en dehors du cadre des laboratoires.Afin de mieux comprendre les limites de notre système expérimental, nous nous sommes également intéressés aux propriétés photoréfractives du niobate de lithium, c'est-à-dire à la variation de son indice optique en fonction de l'intensité lumineuse qui le traverse. En régime de variables continues, là où les puissances optiques peuvent être relativement élevées, ces effets peuvent durablement affecter le fonctionnement des circuits photoniques intégrés sur LiNbO3. Pour cette raison, une étude précise de la photoréfraction a également été accomplie afin d’optimiser la génération et la détection de la lumière comprimée sur puce LiNbO3.

Recent progress in quantum physics predicts a future revolution in the fields of communication, sensing, computing and simulation which rely on our hability to generate and control quantum states such as entanglement. Discovered more than thirty years ago, squeezed light has rapidly became an important tool for the implementation of quantum technologies, but its use still suffers from a lack of compactness wich limits the growth of quantum photonics realisations. To tackle this issue, we developpe a compact photonic platform to generate and detect squeezed light at telecom wavelengths. It is build upon an association between off the shelf telecom components and integrated optics on lithium niobate (LiNbO3) allowing a compact, and easy reconfigurable setup, without any alignment (plug-and-play). With this original aprroach, we directly measure up to -2dB shot noise reduction for a CW pump power of 40 mW, opening the way to out-of-the lab continuous variable experimentations.In order to fully understand the limits of our experimental setup, we also investigate the photorefractive properties of the LiNbO3, which means his intensity dependant refractive index. This effect could be a great issue in CV experiments, where high pump powers near visible wavelengths are needed. For this reason, we also study precisely the photorefraction in order to optimise the generation and the detection of squeezed light in integrated lithium niobate photonics circuits.; Les récents progrès de la physique quantique en matière de manipulations d'objets quantiques individuels et/ou collectifs promettent une révolution dans les domaines de la communication, de la métrologie, de l'informatique et de la simulation. Plus spécifiquement, l'avènement des nouvelles technologies quantiques repose sur la génération, la manipulation et le contrôle d'états quantiques tels que l'intrication. Découverte il y a plus de 30 ans, la lumière comprimée s'est imposée comme un outil de choix pour la mise en œuvre des technologies quantiques, mais son utilisation souffre encore aujourd'hui d'un manque crucial de compacité, freinant ainsi la croissance de certaines réalisations en photonique quantique.Pour pallier ce problème, nous avons développé une plateforme photonique compacte de génération et de détection de lumière comprimée aux longueurs d’ondes des télécommunications. Elle repose sur le mariage entre les composants à fibre optique standards à 1550 nm et de l'optique intégrée sur niobate de lithium (LiNbO3), permettant d'obtenir un montage compact, facilement reconfigurable sans qu'aucun alignement ne soit nécessaire (plug-and-play). Grâce à cette approche, nous avons pu mesurer jusqu’à -2 dB de compression pour une puissance de pompe continue de 40 mW, ouvrant ainsi la voie vers la réalisation de systèmes compacts de variables continues en dehors du cadre des laboratoires.Afin de mieux comprendre les limites de notre système expérimental, nous nous sommes également intéressés aux propriétés photoréfractives du niobate de lithium, c'est-à-dire à la variation de son indice optique en fonction de l'intensité lumineuse qui le traverse. En régime de variables continues, là où les puissances optiques peuvent être relativement élevées, ces effets peuvent durablement affecter le fonctionnement des circuits photoniques intégrés sur LiNbO3. Pour cette raison, une étude précise de la photoréfraction a également été accomplie afin d’optimiser la génération et la détection de la lumière comprimée sur puce LiNbO3.

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

The hybrid integration of individual photonic elements appears as promising, because it may provide high performances, propose new optical functionalities and products and exploit new propagation modes of light beams. This approach requires an accurate multi Degree-Of-Freedom (DOF) positioning of the individual photonic elements. Hence, the inaccurate multi-DOF measurement and robots control are the main locks to overcome, notably at the micro-scale. For this sake, an original photo-robotic approach has been proposed, relying on multi-DOF robot motion associated with the use of 1-D Fabry-Perot interferometry measure to realize multi-DOF pose measure. This approach notably integrates the issue of 6-DOF robot calibration that has been studied through extrinsic and/or intrinsic geometric parameters calibration. In order to find the appropriate calibration strategy for high positioning accuracy and adapted to the context of micro-positioning of optical components, a quantification and durability analysis of optical and robotic performances have been investigated. Experimental investigations demonstrate that a rotational and translational positioning accuracy of 0.004° and 27.6 nm have been obtained respectively.This photo-robotic approach has especially been applied to achieve the 6-DOF positioning of an optical lamella relative to an optical fiber with high accuracy that also conduct to maximum optical performances. The approach has also been applied to control the optical polarization states at the output of an hybrid optical system through achieving high accurate rotations of a specific optical wave plate around the optical axis. The experimental results notably demonstrate that the high positioning accuracy enables to accurately control of the optical polarization state.; L'intégration hybride d'éléments photoniques individuels offre la promesse de fournir des performances très élevées, de proposer de nouvelles fonctionnalités et produits optiques mais aussi pour exploiter de nouveaux modes de propagation des faisceaux lumineux. Cette approche repose sur la capacité d'un positionnement multi Degré-De-Liberté (DDL) précis des éléments photoniques individuels. Ainsi, la mesure multi-DDL imprécise et le contrôle inexact des robots sont les principaux verrous à surmonter, notamment à l'échelle micrométrique Pour cela, une approche photo-robotique originale a été proposée, s'appuyant sur les mouvements d'un robot à plusieurs DDL associé à l'utilisation de l'interférométrie Fabry-Perot 1-D pour réaliser une mesure de pose multi-DOF. Cette approche intègre notamment la question de l'étalonnage des robots 6-DDL qui a été étudiée à travers l'étalonnage des paramètres géométriques extrinsèques et/ou intrinsèques. Afin de trouver la stratégie d'étalonnage appropriée pour une grande précision de positionnement et adaptée au contexte du micro-positionnement de composants optiques, une quantification et une analyse de durabilité des performances optiques et robotiques ont été étudiées. Des études expérimentales ont démontré qu'une précision de positionnement en rotation et en translation de 0.004° et 27.6 nm ont été obtenues respectivement.Cette approche photo-robotique a été notament appliquée pour réaliser le positionnement 6-DDL d'une lamelle optique par rapport à une fibre optique avec une grande précision ce qui conduit également à des performances optiques maximales. L'approche a également été appliquée pour contrôler les états de polarisation à la sortie d'un système optique hybride en réalisant des rotations très précises d'une lamelle d'onde optique spécifique autour de son axe optique. Les résultats expérimentaux démontrent notamment que la grande précision du positionnement permet un contrôle précis de l'état de polarisation optique.

The hybrid integration of individual photonic elements appears as promising, because it may provide high performances, propose new optical functionalities and products and exploit new propagation modes of light beams. This approach requires an accurate multi Degree-Of-Freedom (DOF) positioning of the individual photonic elements. Hence, the inaccurate multi-DOF measurement and robots control are the main locks to overcome, notably at the micro-scale. For this sake, an original photo-robotic approach has been proposed, relying on multi-DOF robot motion associated with the use of 1-D Fabry-Perot interferometry measure to realize multi-DOF pose measure. This approach notably integrates the issue of 6-DOF robot calibration that has been studied through extrinsic and/or intrinsic geometric parameters calibration. In order to find the appropriate calibration strategy for high positioning accuracy and adapted to the context of micro-positioning of optical components, a quantification and durability analysis of optical and robotic performances have been investigated. Experimental investigations demonstrate that a rotational and translational positioning accuracy of 0.004° and 27.6 nm have been obtained respectively.This photo-robotic approach has especially been applied to achieve the 6-DOF positioning of an optical lamella relative to an optical fiber with high accuracy that also conduct to maximum optical performances. The approach has also been applied to control the optical polarization states at the output of an hybrid optical system through achieving high accurate rotations of a specific optical wave plate around the optical axis. The experimental results notably demonstrate that the high positioning accuracy enables to accurately control of the optical polarization state.; L'intégration hybride d'éléments photoniques individuels offre la promesse de fournir des performances très élevées, de proposer de nouvelles fonctionnalités et produits optiques mais aussi pour exploiter de nouveaux modes de propagation des faisceaux lumineux. Cette approche repose sur la capacité d'un positionnement multi Degré-De-Liberté (DDL) précis des éléments photoniques individuels. Ainsi, la mesure multi-DDL imprécise et le contrôle inexact des robots sont les principaux verrous à surmonter, notamment à l'échelle micrométrique Pour cela, une approche photo-robotique originale a été proposée, s'appuyant sur les mouvements d'un robot à plusieurs DDL associé à l'utilisation de l'interférométrie Fabry-Perot 1-D pour réaliser une mesure de pose multi-DOF. Cette approche intègre notamment la question de l'étalonnage des robots 6-DDL qui a été étudiée à travers l'étalonnage des paramètres géométriques extrinsèques et/ou intrinsèques. Afin de trouver la stratégie d'étalonnage appropriée pour une grande précision de positionnement et adaptée au contexte du micro-positionnement de composants optiques, une quantification et une analyse de durabilité des performances optiques et robotiques ont été étudiées. Des études expérimentales ont démontré qu'une précision de positionnement en rotation et en translation de 0.004° et 27.6 nm ont été obtenues respectivement.Cette approche photo-robotique a été notament appliquée pour réaliser le positionnement 6-DDL d'une lamelle optique par rapport à une fibre optique avec une grande précision ce qui conduit également à des performances optiques maximales. L'approche a également été appliquée pour contrôler les états de polarisation à la sortie d'un système optique hybride en réalisant des rotations très précises d'une lamelle d'onde optique spécifique autour de son axe optique. Les résultats expérimentaux démontrent notamment que la grande précision du positionnement permet un contrôle précis de l'état de polarisation optique.

Based on CMOS industry's mature manufacturing processes and large-scale production, silicon photonics technology is a potential solution for inexpensive high-speed optical links for data centers. About ten years ago, a first step was taken with the realization, at an industrial scale, of transmitters/receivers with data rates up to 100Gb/s. However, it seems that even higher speeds (typically 200 or 400Gb/s) will soon be needed. Unfortunately, the technical limitations of this first generation of photonic circuits suggest that it will be difficult to make efficient multiplexers (MUX / DEMUX), which form the basis of wavelength division multiplexing (WDM) solutions designed to meet this new bandwidth demand. Moreover, a diversification of the applications of integrated photonics is ongoing for a few years, which also seems difficult to satisfy given the performance of current technology. The thesis work presented in this manuscript yielded from this context. The studied solution is based on the integration of a second optical layer whose properties are complementary to those of the silicon circuit. This forms an integrated optical platform which can be efficient whatever the function to be performed. A monolithic integration scheme is chosen leveraging the low cost and manufacturing capability of CMOS industry. Silicon nitride (SiN), with a reduced index contrast and a low thermo-optical coefficient, is an interesting candidate for the realization of this second photonic circuit. Indeed, those properties are perfectly complementary to the silicon ones, and particularly adapted to the realization of MUX/DEMUX. Moreover, SiN is a well-known material of CMOS electronics. The first objective of this thesis was to develop the integration scheme of the second optical circuit within ST Microelectronics PIC50G photonic technology. Once all the fabrication steps validated, the development of photonic devices could begin. It starts with several kinds of optical waveguides, among which rib-type demonstrated propagation losses below 0.2dB/cm at 1300nm, but also various elementary components: transitions between waveguides, fiber/chip coupler, waveguide termination, parasitic signals filters and power splitters/combiners. A statistic characterization of the optical transition between Si and SiN circuits reveal insertion losses below 0,3dB from 1270nm to 1330nm, confirming the stability of this critical device. Special attention was paid to the polarization management within the SiN circuit. Polarization splitters and rotators were developed showing comparable performances with Si devices state of the art. An exhaustive study about the realization of SiN MUX/DEMUX was also carried out. Arrayed waveguide gratings especially show good performances: thermal drift < 12pm/°C, low polarization sensitivity, insertion loss 11nm. To conclude this work, a four channel WDM transmitter/receiver was designed in order to demonstrate the interest of this hybrid Si/SiN platform, its currently waiting for characterization. Finally, a study of the nonlinear properties of SiN demonstrated the generation of a third harmonic optical signal from UV to visible and the generation of a supercontinuum spanning from 425nm to 1660nm, paving the way to new applications.; En s’appuyant sur les procédés de fabrication matures et sur la production à grande échelle de l’industrie CMOS, la technologie photonique silicium est une solution potentielle pour le développement de liens optiques haut débit peu onéreux destinés aux centres de données. Un premier pas a été franchi il y a une dizaine d’année avec la réalisation, à l’échelle industrielle, de transmetteurs/récepteurs avec des débits jusqu’à 100Gb/s. Cependant, tout semble indiquer que des vitesses encore plus élevées, (200 voir 400Gb/s), seront bientôt nécessaires. Malheureusement, les limitations techniques de cette première génération de circuits photoniques suggèrent qu’il sera difficile de réaliser des multiplexeurs (MUX/DEMUX) performants. Ces composants sont à la base des solutions de multiplexage en longueur d’onde (WDM) envisagées pour répondre à cette nouvelle demande de bande passante. Par ailleurs, on assiste depuis quelques années à une diversification des applications de la photonique intégrée qu’il semble également difficile de satisfaire au vu des performances de la technologie actuelle. C’est dans ce contexte que s’inscrit le travail de thèse présenté dans ce manuscrit. La solution étudiée est basée sur l’intégration d’un second circuit optique dont les propriétés sont complémentaires de celles du circuit silicium formant ainsi une plateforme optique performante quelle que soit la fonction à réaliser. Un schéma d’intégration monolithique a été privilégié afin de limiter les couts de production et d’assemblage. Le matériau choisi pour la réalisation de ce second circuit optique est le nitrure de silicium (SiN). Il possède en effet des propriétés parfaitement complémentaires de celles du circuit silicium : contraste d’indice réduit, coefficient thermo optique faible et grande gamme de transparence. C’est également un matériau utilisé depuis de nombreuses années dans l’industrie CMOS. Le premier objectif de ce travail de thèse a donc consisté à développer le schéma d’intégration de ce second circuit optique au sein de la technologie photonique PIC50G de STMicroelectronics. Une fois les différentes étapes du flot de fabrication validées, le développement de composants a pu débuter. Tout d’abord les guides d’onde, proposant des pertes de propagation inférieures à 0,2dB/cm à 1300nm, mais également divers composants élémentaires : transitions entre les différentes géométries de guides, coupleur fibre/puce, terminaison de guide d’onde, filtre de signaux parasites et coupleurs/séparateurs de puissance. Une caractérisation statistique de la transition optique entre les circuits Si et SiN a révélé des pertes d’insertion inférieures à 0,3dB entre 1270nm et 1330nm, validant la stabilité de ce composant particulièrement critique. Une attention particulière a été portée à la gestion de la polarisation dans les guides d’onde via le développement de séparateurs et de rotateurs de polarisation dont les performances sont à l’état de l’art des composants silicium. Une étude complète sur les MUX/DEMUX en SiN a également été réalisée. Des réseaux de guides d’onde ont notamment montré de bonnes performances : dérive en température < 12pm/°C, faible sensibilité à la polarisation, pertes d’insertion 11nm. Pour terminer, un émetteur/récepteur WDM quatre canaux a été conçu pour démontrer l’intérêt de cette plateforme hybride Si/SiN, il est actuellement en attente de caractérisation. Enfin, une étude des propriétés optiques non linéaires du SiN a permis de démontrer la génération de troisième harmonique de l’UV jusqu’au visible ainsi que la génération d’un supercontinuum s’étendant de 425nm à 1660nm, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications.

Based on CMOS industry's mature manufacturing processes and large-scale production, silicon photonics technology is a potential solution for inexpensive high-speed optical links for data centers. About ten years ago, a first step was taken with the realization, at an industrial scale, of transmitters/receivers with data rates up to 100Gb/s. However, it seems that even higher speeds (typically 200 or 400Gb/s) will soon be needed. Unfortunately, the technical limitations of this first generation of photonic circuits suggest that it will be difficult to make efficient multiplexers (MUX / DEMUX), which form the basis of wavelength division multiplexing (WDM) solutions designed to meet this new bandwidth demand. Moreover, a diversification of the applications of integrated photonics is ongoing for a few years, which also seems difficult to satisfy given the performance of current technology. The thesis work presented in this manuscript yielded from this context. The studied solution is based on the integration of a second optical layer whose properties are complementary to those of the silicon circuit. This forms an integrated optical platform which can be efficient whatever the function to be performed. A monolithic integration scheme is chosen leveraging the low cost and manufacturing capability of CMOS industry. Silicon nitride (SiN), with a reduced index contrast and a low thermo-optical coefficient, is an interesting candidate for the realization of this second photonic circuit. Indeed, those properties are perfectly complementary to the silicon ones, and particularly adapted to the realization of MUX/DEMUX. Moreover, SiN is a well-known material of CMOS electronics. The first objective of this thesis was to develop the integration scheme of the second optical circuit within ST Microelectronics PIC50G photonic technology. Once all the fabrication steps validated, the development of photonic devices could begin. It starts with several kinds of optical waveguides, among which rib-type demonstrated propagation losses below 0.2dB/cm at 1300nm, but also various elementary components: transitions between waveguides, fiber/chip coupler, waveguide termination, parasitic signals filters and power splitters/combiners. A statistic characterization of the optical transition between Si and SiN circuits reveal insertion losses below 0,3dB from 1270nm to 1330nm, confirming the stability of this critical device. Special attention was paid to the polarization management within the SiN circuit. Polarization splitters and rotators were developed showing comparable performances with Si devices state of the art. An exhaustive study about the realization of SiN MUX/DEMUX was also carried out. Arrayed waveguide gratings especially show good performances: thermal drift < 12pm/°C, low polarization sensitivity, insertion loss 11nm. To conclude this work, a four channel WDM transmitter/receiver was designed in order to demonstrate the interest of this hybrid Si/SiN platform, its currently waiting for characterization. Finally, a study of the nonlinear properties of SiN demonstrated the generation of a third harmonic optical signal from UV to visible and the generation of a supercontinuum spanning from 425nm to 1660nm, paving the way to new applications.; En s’appuyant sur les procédés de fabrication matures et sur la production à grande échelle de l’industrie CMOS, la technologie photonique silicium est une solution potentielle pour le développement de liens optiques haut débit peu onéreux destinés aux centres de données. Un premier pas a été franchi il y a une dizaine d’année avec la réalisation, à l’échelle industrielle, de transmetteurs/récepteurs avec des débits jusqu’à 100Gb/s. Cependant, tout semble indiquer que des vitesses encore plus élevées, (200 voir 400Gb/s), seront bientôt nécessaires. Malheureusement, les limitations techniques de cette première génération de circuits photoniques suggèrent qu’il sera difficile de réaliser des multiplexeurs (MUX/DEMUX) performants. Ces composants sont à la base des solutions de multiplexage en longueur d’onde (WDM) envisagées pour répondre à cette nouvelle demande de bande passante. Par ailleurs, on assiste depuis quelques années à une diversification des applications de la photonique intégrée qu’il semble également difficile de satisfaire au vu des performances de la technologie actuelle. C’est dans ce contexte que s’inscrit le travail de thèse présenté dans ce manuscrit. La solution étudiée est basée sur l’intégration d’un second circuit optique dont les propriétés sont complémentaires de celles du circuit silicium formant ainsi une plateforme optique performante quelle que soit la fonction à réaliser. Un schéma d’intégration monolithique a été privilégié afin de limiter les couts de production et d’assemblage. Le matériau choisi pour la réalisation de ce second circuit optique est le nitrure de silicium (SiN). Il possède en effet des propriétés parfaitement complémentaires de celles du circuit silicium : contraste d’indice réduit, coefficient thermo optique faible et grande gamme de transparence. C’est également un matériau utilisé depuis de nombreuses années dans l’industrie CMOS. Le premier objectif de ce travail de thèse a donc consisté à développer le schéma d’intégration de ce second circuit optique au sein de la technologie photonique PIC50G de STMicroelectronics. Une fois les différentes étapes du flot de fabrication validées, le développement de composants a pu débuter. Tout d’abord les guides d’onde, proposant des pertes de propagation inférieures à 0,2dB/cm à 1300nm, mais également divers composants élémentaires : transitions entre les différentes géométries de guides, coupleur fibre/puce, terminaison de guide d’onde, filtre de signaux parasites et coupleurs/séparateurs de puissance. Une caractérisation statistique de la transition optique entre les circuits Si et SiN a révélé des pertes d’insertion inférieures à 0,3dB entre 1270nm et 1330nm, validant la stabilité de ce composant particulièrement critique. Une attention particulière a été portée à la gestion de la polarisation dans les guides d’onde via le développement de séparateurs et de rotateurs de polarisation dont les performances sont à l’état de l’art des composants silicium. Une étude complète sur les MUX/DEMUX en SiN a également été réalisée. Des réseaux de guides d’onde ont notamment montré de bonnes performances : dérive en température < 12pm/°C, faible sensibilité à la polarisation, pertes d’insertion 11nm. Pour terminer, un émetteur/récepteur WDM quatre canaux a été conçu pour démontrer l’intérêt de cette plateforme hybride Si/SiN, il est actuellement en attente de caractérisation. Enfin, une étude des propriétés optiques non linéaires du SiN a permis de démontrer la génération de troisième harmonique de l’UV jusqu’au visible ainsi que la génération d’un supercontinuum s’étendant de 425nm à 1660nm, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications.

Since its creation in 1960, laser has become a really useful tool. Lasers are very versatile and they has become part of many of our everyday life tools. Coming in their pulsed form, lasers have opened-up others fields of application such as machining, cutting, marking or cleaning materials; or medicine and well-being and also sensors and in particular embedded sensors. Passively Q-Switched lasers are particularly adapted to this last field of application thanks to their energetic self-sufficiency, using the energy of the laser itself to create very energetic laser pulses whose duration order is about the nanosecond. The lasers made on optical glass wafers have also proved very suitable for the manufacture of on-board sensing devices: they show great stability, strong mechanical and chemical resistance, making them usable in a wide range of environmental conditions. At IMEP-LaHC, lasers made by silver / sodium ion exchange in erbium and ytterbium doped phosphate glasses were made. Pulsed lasers have also been realized using this planar waveguide technology in interaction with thin films of cellulose acetate doped with a dye named BDN, having the saturable absorption properties needed for the emergence of Q –Switch operation. These lasers can already address on-board sensing applications. However, some applications require even more power and above all a better environmental resistance than that proposed by cellulose acetate. In order to meet all these expectations, we present in this manuscript the production of saturable absorbers from BDN-doped sol-gel matrices to create saturable absorber waveguides. Specific characterization methods and saturable absorption simulations are developed to describe the operation of such devices and to evaluate the relevance of the choice of such matrices allied with BDN dye in order to create glass integrated Q-Switched lasers.; Le laser est devenu un outil très riche depuis sa création en 1960. Ses applications sont très variées et il a intégré tous nos outils du quotidien. Décliné sous leur forme impulsionnelle, les lasers se sont encore ouverts d'autres champs d'application tels que l'usinage, la découpe, le marquage ou le nettoyage de matériaux; ou encore la médecine et le bien-être et également les capteurs et notamment les capteurs embarqués. Les lasers impulsionnels à déclenchement passif (Q-Switch) sont tout particulièrement adaptés à ce dernier champ d'application de par leur suffisance énergétique, utilisant l'énergie du laser lui-même pour créer des impulsions lasers très énergétiques dont la durée est de l'ordre de la nanoseconde. Les lasers réalisés sur substrat de verre se sont avérés également très adaptés à la fabrication de dispositifs de captation embarquée : ils montrent une grande stabilité, de fortes résistances mécanique et chimique les rendant utilisables dans un large panel de conditions environnementales. A l'IMEP-LaHC, des lasers réalisés par échange d'ions argent/sodium dans des substrats de verre phosphate dopés à l'erbium et à l'ytterbium ont été réalisés. Des lasers impulsionnels ont également été réalisés en utilisant cette technologie de guides d'ondes planaires en interaction avec des couches minces d'acétate de cellulose dopé à un colorant nommé BDN possédant les propriétés d'absorption saturable nécessaires à la naissance d'un comportement Q-Switch. Ces lasers permettent déjà de s’orienter vers la captation embarquée. Cependant, certaines applications nécessitent encore plus de puissance et surtout une meilleure résistance à l'environnement que celle proposée par l'acétate de cellulose. Afin de répondre à toutes ces attentes, nous présentons dans ce manuscrit la fabrication d’absorbants saturables à partir de matrices sol-gel et dopées au BDN afin de créer des guides d'ondes absorbants saturables. Des méthodes de caractérisation et des simulations spécifiques d’absorption saturable sont développés afin de décrire le comportement de tels dispositifs et d’évaluer la pertinence du choix de telles matrices alliées au colorant BDN afin de créer des lasers Q-Switch en optique intégrée sur verre.

The development of photonics during the pastdecades, enabled by the advent of nanofabricationtechnologies, witnessed the appearance of new types ofartificial materials such as photonic crystals,metamaterials, plasmonic circuits, and more recently the socalled “PT symmetry” structures. The characteristic featureof this new type of artificial structures is that though theyare described by non-Hermitian Hamiltonians theireigenvalues can still be real. In optics, several physicalphenomena are known to obey equations that are formallyequivalent to that of Hamiltonians in quantum mechanics.During this work, we investigated the design, fabricationand characterization of complex-coupled DFB lasers, withthe intent to apply Parity-Time (PT) symmetry to apractical device. The mode selectivity inside the cavity isbrought by the combination of a gain-coupled and indexcoupledBragg grating, under the form of respectively acorrugated waveguide and a metallic absorbing surfacegrating.Through the simulation of the mode evolution insideconventional DFB lasers and complexe-coupled DFBlasers using Ables matrix method, the advantages ofefficient mode filtering while keeping a low thresholdcurrent was observed. The specific phase shift of a quarterperiod, matching the PT-symmetric configuration, is foundto show highly asymmetric mode selection, with unidirectionalamplification in reflection.Index, gain and complex-coupled DFB lasers with differentphase shifts between loss and index grating profiles werefabricated, using photonics integrated circuits fabricationbuilding blocks: electron beam lithography and inducedcoupled plasma dry etching to name but a few.The characterization of the fabricated lasers shows areduction in threshold compared to equivalent third ordergain-coupled DFB lasers, and improved monomodeoperation and yield compared to third order index-coupledDFB lasers.Real and imaginary parts of the index modulation as wellas reflection spectral response was investigated by externaloptical probing of the laser cavities.The resistance of the CC DFB lasers to external opticalfeedback was studied. If results show an apparentcorrelation between the gratings phase shift and thefeedback resistance, but no significant improvement wasfound with regards to IC DFB lasers.This first milestone on the application of PT-symmetry tothe design and fabrication of DFB lasers provide interestingprospects on the improvement of existing technologies.This work reinforces the interest of this concept for thedesign of feedback tolerant DFB lasers, and theirintegration in an all PT-symmetric laser-modulator system.; Le développement des systèmes photoniques aucours des dernières décennies, rendu possible parl’évolution des technologies de nanofabrication, a vul’apparition de nouveaux matériaux synthétiques tels queles cristaux photoniques, les métamatériaux, les plasmonsde surface, et plus récemment les structures dites « àsymétrie Parité-Temps ». La caractéristique de ces derniersmatériaux synthétiques est que bien qu’ils soient décrits parun Hamiltonien non-Hermitien, leurs valeurs proprespeuvent toutefois être réelles. En optique plusieursphénomènes physiques sont connus pour la ressemblancedes équations les décrivant, avec l’expression de ce typed’Hamiltonien en mécanique quantique. C’est le cas deséquations de modes couplés dans les lasers DFB.Ce travail de thèse a porté sur la conception, fabrication etétude de lasers DFB à couplage complexe, dans l’optiqued’appliquer le principe de symétrie Parité Temps (PT) à uncomposant fonctionnel. Ces lasers sont combinent un réseaupar l’indice et par les pertes, avec un déphasage spécifique.La simulation des modes dans la cavité, effectuée parméthode matricielle de Ables, a dévoilé l’avantageuxfiltrage apporté par les lasers DFB à couplage complexe, engardant un seuil faible. Le cas spécifique d’un déphasaged’un quart de période entre les deux réseaux, correspondantà une condition de symétrie PT, induit des effetsunidirectionnels d’amplification en réflexion.Des lasers DFB à couplage par l’indice, par les pertes et àcouplage complexe avec différentes phases entre les réseauxont été fabriqués selon les techniques courantes deréalisation de circuits photonique intégrés : lithographieélectronique et gravure ICP notamment.Les mesures de caractéristiques courant /puissancemontrent une diminution du courant de seuil des lasers àcouplage complexe en comparaison de leur équivalent àcouplage par les pertes, et un comportement monomodeplus robuste et plus systématique en comparaison de leuréquivalent à couplage par l’indice.Les variations d’indice réelle et imaginaire dans les cavitésont été mesurés à l’aide d’un laser externe.La résistance au retour optique de nos lasers a également étéétudiée. Les résultats montrent une corrélation entre latolérance au retour optique et le déphasage des réseauxd’indice et de pertes, sans montrer d’améliorationsignificative de cette résistance par rapport aux lasers DFBà couplage par l’indice.Ce premier « véhicule test » sur l’application de la symétriePT aux lasers à contre réaction répartie a permis d’obtenirdes perspectives encourageantes quant à l’amélioration desperformances des technologies existantes. Ce travailconforte l’intérêt de ce concept pour la conception de lasersDFB tolérant au feedback et leur intégration dans unsystème laser-modulateur fonctionnant sur la même base.

The development of photonics during the pastdecades, enabled by the advent of nanofabricationtechnologies, witnessed the appearance of new types ofartificial materials such as photonic crystals,metamaterials, plasmonic circuits, and more recently the socalled “PT symmetry” structures. The characteristic featureof this new type of artificial structures is that though theyare described by non-Hermitian Hamiltonians theireigenvalues can still be real. In optics, several physicalphenomena are known to obey equations that are formallyequivalent to that of Hamiltonians in quantum mechanics.During this work, we investigated the design, fabricationand characterization of complex-coupled DFB lasers, withthe intent to apply Parity-Time (PT) symmetry to apractical device. The mode selectivity inside the cavity isbrought by the combination of a gain-coupled and indexcoupledBragg grating, under the form of respectively acorrugated waveguide and a metallic absorbing surfacegrating.Through the simulation of the mode evolution insideconventional DFB lasers and complexe-coupled DFBlasers using Ables matrix method, the advantages ofefficient mode filtering while keeping a low thresholdcurrent was observed. The specific phase shift of a quarterperiod, matching the PT-symmetric configuration, is foundto show highly asymmetric mode selection, with unidirectionalamplification in reflection.Index, gain and complex-coupled DFB lasers with differentphase shifts between loss and index grating profiles werefabricated, using photonics integrated circuits fabricationbuilding blocks: electron beam lithography and inducedcoupled plasma dry etching to name but a few.The characterization of the fabricated lasers shows areduction in threshold compared to equivalent third ordergain-coupled DFB lasers, and improved monomodeoperation and yield compared to third order index-coupledDFB lasers.Real and imaginary parts of the index modulation as wellas reflection spectral response was investigated by externaloptical probing of the laser cavities.The resistance of the CC DFB lasers to external opticalfeedback was studied. If results show an apparentcorrelation between the gratings phase shift and thefeedback resistance, but no significant improvement wasfound with regards to IC DFB lasers.This first milestone on the application of PT-symmetry tothe design and fabrication of DFB lasers provide interestingprospects on the improvement of existing technologies.This work reinforces the interest of this concept for thedesign of feedback tolerant DFB lasers, and theirintegration in an all PT-symmetric laser-modulator system.; Le développement des systèmes photoniques aucours des dernières décennies, rendu possible parl’évolution des technologies de nanofabrication, a vul’apparition de nouveaux matériaux synthétiques tels queles cristaux photoniques, les métamatériaux, les plasmonsde surface, et plus récemment les structures dites « àsymétrie Parité-Temps ». La caractéristique de ces derniersmatériaux synthétiques est que bien qu’ils soient décrits parun Hamiltonien non-Hermitien, leurs valeurs proprespeuvent toutefois être réelles. En optique plusieursphénomènes physiques sont connus pour la ressemblancedes équations les décrivant, avec l’expression de ce typed’Hamiltonien en mécanique quantique. C’est le cas deséquations de modes couplés dans les lasers DFB.Ce travail de thèse a porté sur la conception, fabrication etétude de lasers DFB à couplage complexe, dans l’optiqued’appliquer le principe de symétrie Parité Temps (PT) à uncomposant fonctionnel. Ces lasers sont combinent un réseaupar l’indice et par les pertes, avec un déphasage spécifique.La simulation des modes dans la cavité, effectuée parméthode matricielle de Ables, a dévoilé l’avantageuxfiltrage apporté par les lasers DFB à couplage complexe, engardant un seuil faible. Le cas spécifique d’un déphasaged’un quart de période entre les deux réseaux, correspondantà une condition de symétrie PT, induit des effetsunidirectionnels d’amplification en réflexion.Des lasers DFB à couplage par l’indice, par les pertes et àcouplage complexe avec différentes phases entre les réseauxont été fabriqués selon les techniques courantes deréalisation de circuits photonique intégrés : lithographieélectronique et gravure ICP notamment.Les mesures de caractéristiques courant /puissancemontrent une diminution du courant de seuil des lasers àcouplage complexe en comparaison de leur équivalent àcouplage par les pertes, et un comportement monomodeplus robuste et plus systématique en comparaison de leuréquivalent à couplage par l’indice.Les variations d’indice réelle et imaginaire dans les cavitésont été mesurés à l’aide d’un laser externe.La résistance au retour optique de nos lasers a également étéétudiée. Les résultats montrent une corrélation entre latolérance au retour optique et le déphasage des réseauxd’indice et de pertes, sans montrer d’améliorationsignificative de cette résistance par rapport aux lasers DFBà couplage par l’indice.Ce premier « véhicule test » sur l’application de la symétriePT aux lasers à contre réaction répartie a permis d’obtenirdes perspectives encourageantes quant à l’amélioration desperformances des technologies existantes. Ce travailconforte l’intérêt de ce concept pour la conception de lasersDFB tolérant au feedback et leur intégration dans unsystème laser-modulateur fonctionnant sur la même base.

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

The quest for highly-efficient, integrated single-photon sources in the telecommunications window is an increasing research topic towards the development of quantum technologies. In this doctoral project, a set of complementary integrated nanophotonic devices was proposed and experimentally demonstrated as a contribution towards the development of that sources. The devices were designed based on two fundamental concepts of electromagnetic optics, the reciprocity theorem and Babinet’s principle. The results show that the integrated structures allow an extreme confinement of light and therefore, an enhancement of the electric and magnetic fields. Reciprocally, the spontaneous emission of electric and magnetic emitters placed at the confined field is selectively enhanced into the mode field by electric and magnetic Purcell effects. The complementary integrated structures were fabricated with advanced electron beam lithography and experimentally characterized in the far field, with lifetime measurements, as well as in the near-field with the use of a near-field scanning optical microscope. These measurements correspond to the first step towards the experimental validation of the integrated single-photon sources based on quantum emitters. Future work involves the implementation of integrated sources determinist and efficient and their combination with silicon photonic circuits., Le développement de sources intégrées de photon unique efficaces dans les longueurs d’ondes des télécommunications est en train de jouer un rôle majeur pour le développement des technologies quantiques. Ce projet de recherche doctoral montre une contribution au développement de ces sources en proposant et démontrant expérimentalement la réalisation d’une paire de dispositifs nanophotoniques intégrés complémentaires. Deux principes fondamentaux de l’optique électromagnétique ont été utilisés pour leur conception, le théorème de réciprocité et le principe de Babinet. Les résultats montrent que les structures intégrées permettent un confinement extrême de la lumière et par conséquence, un renforcement des champs électrique et magnétique. Réciproquement, l’émission spontanée d’émetteurs électriques et magnétiques localisés à la place des champs confinés est accélérée sélectivement dans les modes du champ par effet Purcell électrique et magnétique. Les dispositifs complémentaires ont été fabriqués à l’aide de techniques avancées de lithographie électronique et caractérisés expérimentalement en champ lointain, via des mesures de durée de vie, ainsi qu’en champ proche à l’aide d'un microscope optique en champ proche. Ces mesures représentent une première étape de validation expérimentale vers la réalisation de sources intégrées de photon unique à base d’émetteurs quantiques. Les perspectives des travaux portent sur la réalisation de sources intégrées déterministes et efficaces et les combiner avec de circuits photonique sur silicium plus complexes.

Since its creation in 1960, laser has become a really useful tool. Lasers are very versatile and they has become part of many of our everyday life tools. Coming in their pulsed form, lasers have opened-up others fields of application such as machining, cutting, marking or cleaning materials; or medicine and well-being and also sensors and in particular embedded sensors. Passively Q-Switched lasers are particularly adapted to this last field of application thanks to their energetic self-sufficiency, using the energy of the laser itself to create very energetic laser pulses whose duration order is about the nanosecond. The lasers made on optical glass wafers have also proved very suitable for the manufacture of on-board sensing devices: they show great stability, strong mechanical and chemical resistance, making them usable in a wide range of environmental conditions. At IMEP-LaHC, lasers made by silver / sodium ion exchange in erbium and ytterbium doped phosphate glasses were made. Pulsed lasers have also been realized using this planar waveguide technology in interaction with thin films of cellulose acetate doped with a dye named BDN, having the saturable absorption properties needed for the emergence of Q –Switch operation. These lasers can already address on-board sensing applications. However, some applications require even more power and above all a better environmental resistance than that proposed by cellulose acetate. In order to meet all these expectations, we present in this manuscript the production of saturable absorbers from BDN-doped sol-gel matrices to create saturable absorber waveguides. Specific characterization methods and saturable absorption simulations are developed to describe the operation of such devices and to evaluate the relevance of the choice of such matrices allied with BDN dye in order to create glass integrated Q-Switched lasers., Le laser est devenu un outil très riche depuis sa création en 1960. Ses applications sont très variées et il a intégré tous nos outils du quotidien. Décliné sous leur forme impulsionnelle, les lasers se sont encore ouverts d'autres champs d'application tels que l'usinage, la découpe, le marquage ou le nettoyage de matériaux; ou encore la médecine et le bien-être et également les capteurs et notamment les capteurs embarqués. Les lasers impulsionnels à déclenchement passif (Q-Switch) sont tout particulièrement adaptés à ce dernier champ d'application de par leur suffisance énergétique, utilisant l'énergie du laser lui-même pour créer des impulsions lasers très énergétiques dont la durée est de l'ordre de la nanoseconde. Les lasers réalisés sur substrat de verre se sont avérés également très adaptés à la fabrication de dispositifs de captation embarquée : ils montrent une grande stabilité, de fortes résistances mécanique et chimique les rendant utilisables dans un large panel de conditions environnementales. A l'IMEP-LaHC, des lasers réalisés par échange d'ions argent/sodium dans des substrats de verre phosphate dopés à l'erbium et à l'ytterbium ont été réalisés. Des lasers impulsionnels ont également été réalisés en utilisant cette technologie de guides d'ondes planaires en interaction avec des couches minces d'acétate de cellulose dopé à un colorant nommé BDN possédant les propriétés d'absorption saturable nécessaires à la naissance d'un comportement Q-Switch. Ces lasers permettent déjà de s’orienter vers la captation embarquée. Cependant, certaines applications nécessitent encore plus de puissance et surtout une meilleure résistance à l'environnement que celle proposée par l'acétate de cellulose. Afin de répondre à toutes ces attentes, nous présentons dans ce manuscrit la fabrication d’absorbants saturables à partir de matrices sol-gel et dopées au BDN afin de créer des guides d'ondes absorbants saturables. Des méthodes de caractérisation et des simulations spécifiques d’absorption saturable sont développés afin de décrire le comportement de tels dispositifs et d’évaluer la pertinence du choix de telles matrices alliées au colorant BDN afin de créer des lasers Q-Switch en optique intégrée sur verre.

L’optique nonlinéaire sur puce pour le traitement tout optique de l’information apparait comme une voie prometteuse pour des applications datacom, en permettant la réalisation de fonctions tout optique ultrarapides pouvant traiter, rediriger, ou convertir des signaux lumineux haut débit, et sans conversion dans le domaine électrique. La réalisation de ces fonctions sur puce est également la promesse d’un rapprochement avec la microélectronique pour le développement de circuits optoélectroniques avancés et de liens optiques rapides intra- et inter-puces. Pour que ces fonctions aient un réel impact, cependant, leur consommation en puissance doit être abaissée. Cette contrainte représente un véritable défi compte tenu de la réponse nonlinéaire plutôt faible des matériaux usuels (qui requièrent ainsi une forte intensité lumineuse pour induire un effet notable) mais aussi des critères de compacité recherchés pour les composants nonlinéaires visés. Plusieurs clés permettent de tendre vers cet objectif, en jouant à la fois sur le matériau nonlinéaire, mais aussi la géométrie de la structure sous-jacente pour réaliser ces composants. Du point de vue de la géométrie, le confinement optique du mode dans des structures photoniques sub-micrométriques, l’exploitation de résonances ou semirésonances (modes à faible vitesse de groupe) et le contrôle de la dispersion, constituent autant de leviers pour exalter les phénomènes nonlinéaires. Je présente ici un certain nombre de démonstrations marquantes associées à l’exploitation des modes lents dans des guides à cristaux photoniques ingénierés pour réaliser des fonctions nonlinéaires compactes (génération de paires de photons corrélés, démultiplexage temporel, diagnostique de signaux optiques rapides…). Du point de vue matériau, si nombre de démonstrations phares ont été réalisées sur plate-forme SOI dans le silicium cristallin, les limitations de ce dernier pour l’optique non linéaire aux longueurs d’onde télécom sont nombreuses (absorption non linéaire, génération de porteurs libres), freinant ou parfois même interdisant l’accès à certaines fonctions (génération de supercontinuum, peigne de fréquences, amplificateur paramétrique en continu…). Une migration vers le moyen IR (au-delà de 2µm) dans laquelle (1) les matériaux de la colonne IV ont des propriétés nonlinéaires plus favorables, et (2) les composés biochimiques ont une forte empreinte spectrale, constitue une première voie alternative d’exploration de l’optique non linéaire sur puce qui pourrait nourrir des applications dans le domaine de la santé, défense et environnement. A contrario, si l’on reste autour des longueurs d’onde télécom, d’autres filières matériauxapparaissent prometteuses, comme le silicium amorphe hydrogéné ou des semiconducteurs III-V à grand gap. Au lieu de remplacer complètement le SOI, une approche utilisant l’intégration hybride, où un matériau nonlinéaire est localement exploité en complément du silicium cristallin, mature et conservé pour le guidage, pourrait s’avérer être un compromis judicieux. Dans ce contexte, l’apport des matériaux 2D (existant sous forme de monofeuillets, tels que graphène et ses cousins) qui ont des propriétés complémentaires au SOI et peuvent être facilement intégrés en fin de procédé de fabrication, apparaît pertinente. Outre l’intérêt de sa réponse nonlinéaire (a priori beaucoup plus élevée que celle du silicium), les propriétés du graphène peuvent être contrôlées de manière statique ou dynamique, afin de réaliser des fonctions agiles et reconfigurables. Legraphène possède également une absorption saturable qui le rend intéressant pour la réalisation de lasers impulsionnels, un autre composant clé pour la photonique intégrée. La réalisation de ces composants laser sur puce n’est pas complètement disjointe des enjeux associés à l’optique nonlinéaire intégrée : ils offrent la perspective de contrôler directement sur puce, avec un signal optique de pompe adapté, l’ensemble des fonctions nonlinéaires d’un circuit pour le traitement tout optique de l’information. Le développement des microlasers sur silicium pouvant délivrer la puissance suffisante pour faire fonctionner ces composants, constitue en effet un point clé de cette thématique de recherche. Ici encore, l’exploitation de cristaux photoniques à modes lents pourrait apporter une solution intéressante à la miniaturisation de ces composants. Enfin, au-delà des applications mentionnées, l’exploration des nonlinéarités dans des architectures intégrées ouvre la voie d’un domaine de recherche en physique extrêmement riche et varié.

Global datacenter data exchange is exponentially growing and silicon photonics is the key answer, thanks to high production volume, at low cost and high yield. Today, energy consumption is a new challenge highlighted by network densification. Capacitive modulators address a specific reduction of the power dedicated to the photonic circuit emitter for light intensity modulation. Design and integration of capacitive modulators are carried out during this thesis. It consists of inserting a dielectric insulator within the optical waveguide center, in order to shape a capacitance with a silicon/ oxide/poly-silicon stack in accumulation regime. A first device is made up of an horizontal insulator stacked between the semiconductors.A second device type comprises a vertical insulator in the center of a slot rib waveguide. The first fabrication release demonstrates device feasibility within STMicroelectronics industrial platform. Characterization results of the first device type from C2N, CEA-LETI and STMicroelectronics evaluate the trade-offs between efficiency - featured by capacitive modulators - insertion losses and bandwidth. 3 dB/mm insertion losses are measured, including 0.5 dB/mm poly-silicon absorption only. 2 dB extinction ratio through 700 µm is evaluated on a 10 Gb/s eye diagram, thanks to a VpLp =5.5 V.mm at 15 nm oxide thickness (1.2 pF/mm). Capacitive modulator power consumption is eventually optimized for 1 pJ/bit at 0.9 Vpp.; Les centres de données subissent une augmentation exponentielle du trafic de données, à laquelle la photonique sur silicium apporte une solution grâce à de forts volumes de production, à faibles coûts et à haut rendements. Aujourd'hui la consommation énergétique est un défi supplémentaire à relever face à la densification du réseau. Le modulateur capacitif permet en particulier de réduire la part d'énergie consommée par l'émetteur du circuit photonique qui réalise la modulation d'intensité optique. Les travaux d'intégration et de conception réalisés au cours de cette thèse consistent à introduire un isolant diélectrique au centre du guide d'onde, pour former une capacité silicium/ oxyde/ poly-silicium en régime d'accumulation. Une première version consiste à empiler l'isolant horizontal entre les deux semiconducteurs. Une seconde version complémentaire emploie un isolant vertical au centre du guide d'onde ruban à fente. La première génération de ces composants permet de démontrer leur faisabilité dans la plateforme industrielle de STMicroelectronics. Les mesures conduites au C2N, au CEA-LETI et à STMicroelectronics évaluent les compromis entre l'efficacité, atout du modulateur capacitif, les pertes d'insertion et la bande passante du composant à isolant horizontal. Des pertes de 3 dB/mm sont extraites, dont seulement 0.5 dB/mm dues au poly-silicium. Un taux d'extinction de 2 dB est mesuré à travers 700 µm sur un diagramme de l'œil à 10 Gb/s, grâce à un produit VpLp=5.5 V.mm à 15 nm d'épaisseur d'oxyde (1.2 pF/mm). La consommation électrique du modulateur capacitif est finalement optimisée pour atteindre 1 pJ/bit à 0.9 Vpp.

The development of the micro-electronics industry has given access to very high data transmission rates. Currently, these data rates are limited by the electrical interconnection bandwidth and it will soon be necessary to use optical link to obtain higher data rates.To attain this objective, new building blocks must be developped such as lasers, modulators, photo-detectors, waveguides and routing devices. This doctoral thesis concerns the study and development of composant based on organics and chalcogenide glasses materialswith straight or resonators which offer solutions based on nonlinear optics for wavelength and temporal demultiplexing. For this, methods of manufacturing waveguides integrating non-linear molecules into a polymer matrix have been developed. As the nonlinear characterizations are not in agreement with the forecasts, processes for manufacturing straight guides in chalcogenide glasses have been developed. These waveguides initially allowed theobservation of self-phase modulation with a maximum phase shift of 2.02 π for a peak power of 30,2 W but also four wave mixing. Finally, micro-resonator in chalcogenide glasseshas been developed to perform cascaded four wave mixing with a conversion efficiency of -26.3 dB for a pump power of 16.1 dBm.; Le développement de la micro-électronique a permis d’obtenir des débits d’information très importants. De nos jours, ces débits sont limités par la bande passante des interconnexions électriques utilisées et l’usage du lien optique devient nécessaire pour atteindre des débits supérieurs. Pour parvenir à réaliser cet objectif, de nouvelles briques de bases sont nécessaires comme des lasers, des modulateurs, des photo-détecteurs et des dispositifs de guidage et de routage de la lumière. Cette thèse traite l’étude et le développement de composant à base de matériaux organiques, de verres de chalcogénures à structure droite ou résonante permettant d’offrir des solutions basées sur l’optique non-linéaire dans le domaine du multiplexage en longueur d’onde et du démultiplexage temporel. Pour cela,des procédés de fabrication de guides d’onde intégrants des molécules non-linéaires dans une matrice de polymère ont été développées. Les caractérisations non-linéaires n’étant pas en accord avec les prévisions, des procédés de fabrication de guides droits en verres de chalcogénures ont également été mis au point. Ces guides d’onde ont dans un premier temps permis l’observation d’auto-modulation de phase avec un déphasage maximal de 2,02 π pour une puissance crête de 30,2 W mais également de mélange à 4 ondes. Pour finir, une version résonante de ces guides sous forme de micro-résonateurs a été mis au point afin de mettre en évidence un mélange à 4 ondes en cascade d’une efficacité de conversion de -26,3 dB pour une puissance de pompe de 16,1 dBm.

The development of the micro-electronics industry has given access to very high data transmission rates. Currently, these data rates are limited by the electrical interconnection bandwidth and it will soon be necessary to use optical link to obtain higher data rates.To attain this objective, new building blocks must be developped such as lasers, modulators, photo-detectors, waveguides and routing devices. This doctoral thesis concerns the study and development of composant based on organics and chalcogenide glasses materialswith straight or resonators which offer solutions based on nonlinear optics for wavelength and temporal demultiplexing. For this, methods of manufacturing waveguides integrating non-linear molecules into a polymer matrix have been developed. As the nonlinear characterizations are not in agreement with the forecasts, processes for manufacturing straight guides in chalcogenide glasses have been developed. These waveguides initially allowed theobservation of self-phase modulation with a maximum phase shift of 2.02 π for a peak power of 30,2 W but also four wave mixing. Finally, micro-resonator in chalcogenide glasseshas been developed to perform cascaded four wave mixing with a conversion efficiency of -26.3 dB for a pump power of 16.1 dBm.; Le développement de la micro-électronique a permis d’obtenir des débits d’information très importants. De nos jours, ces débits sont limités par la bande passante des interconnexions électriques utilisées et l’usage du lien optique devient nécessaire pour atteindre des débits supérieurs. Pour parvenir à réaliser cet objectif, de nouvelles briques de bases sont nécessaires comme des lasers, des modulateurs, des photo-détecteurs et des dispositifs de guidage et de routage de la lumière. Cette thèse traite l’étude et le développement de composant à base de matériaux organiques, de verres de chalcogénures à structure droite ou résonante permettant d’offrir des solutions basées sur l’optique non-linéaire dans le domaine du multiplexage en longueur d’onde et du démultiplexage temporel. Pour cela,des procédés de fabrication de guides d’onde intégrants des molécules non-linéaires dans une matrice de polymère ont été développées. Les caractérisations non-linéaires n’étant pas en accord avec les prévisions, des procédés de fabrication de guides droits en verres de chalcogénures ont également été mis au point. Ces guides d’onde ont dans un premier temps permis l’observation d’auto-modulation de phase avec un déphasage maximal de 2,02 π pour une puissance crête de 30,2 W mais également de mélange à 4 ondes. Pour finir, une version résonante de ces guides sous forme de micro-résonateurs a été mis au point afin de mettre en évidence un mélange à 4 ondes en cascade d’une efficacité de conversion de -26,3 dB pour une puissance de pompe de 16,1 dBm.

As the world is moving towards Internet of Things, an optical detection device is presented that can be utilized in this domain. This device can be used to do tests that use optical detection for analysis like monitoring of Health of a person by doing a blood test or other medical analysis and also be used to monitor environment by testing water or air in cities, mountains, factories, rivers and so on for a practical purpose. To create this optical detection device, a combination of spectrometer named Coupled Bi-Directional Sampling Spectrometer (CoBiSS) [Patent number WO2009127794A1] and Surface Plasmon Resonance (SPR) Chip has been used. For the optical integration, a new analysis of the sampling in the spectrometer CoBiSS is presented. Followed by, Device and Optical Integration of CoBiSS has been done to remove all the moving parts. It was necessary to make the device small that can be handheld and portable. For ease of use a Graphical User interface was developed. For detection, CoBiSS was added with a chip of SPR. A modelisation of SPR chip was done to maximize its sensitivity. A new Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) chip has been proposed to work with CoBiSS. Optimization of LSPR chip has been performed to maximize the sensitivity. A new definition for the calculation of Sensitivity has been proposed. This device needs the addition of functionalization on (L)SPR Chip for detection and a final application. This device could be an ideal “Thing” in Internet of Things, Aujourd’hui l’Internet des Objets (IdO) est en pleine évolution, et le dispositif de détection optique tel que présenté ici pourrait être utilisé dans ce domaine. En effet ces dispositifs pourraient être utilisé pour faire des tests pour une analyse comme la surveillance de la santé d'une personne en faisant un test sanguin ou d'autres analyses médicales et utilisés pour surveiller l'environnement en testant l'eau ou de l'air dans les villes, les montagnes, les usines, les rivières. Pour créer le dispositif, on a utilisé une combinaison du spectromètre nommé Spectromètre d'échantillonnage bi-directionnel couplé (CoBiSS) [Brevet WO2009127794A1] et une puce à résonance de Plasmon de Surface (SPR).Dans le but de l’intégration optique, une nouvelle analyse de l’échantillonnage dans le spectromètre CoBiSS est présentée, suivie de l'intégration du système électronique et optique pour supprimer les pièces mobiles. Il était nécessaire de rendre l'appareil petit et portable. Pour faciliter l'utilisation, une interface graphique a été développée. Pour la détection, une puce SPR a été ajouté à CoBiSS et une nouvelle puce à résonance de plasmon de surface localisée (LSPR) a été modélisé pour maximiser sa sensibilité. Une nouvelle définition du calcul de sensibilité a été proposée.Cet appareil nécessite l'ajout de fonctionnalisation sur (L)SPR Chip pour la détection et une application finale. Cet appareil pourrait être un « objet » idéale dans l’IdO

The aim of this thesis was to develop photonic entanglement sources and study their implementation in the general field of quantum information technologies. To this end, a novel fully wave-guided, high performance photonic entanglement source is presented, able to generate hyper-entangled states in the observables of polarization and energy-time by means of a nonlinear Sagnac loop. The waveguide-based design makes it flexible, reliable, and adaptable to a wide spectral range, paving the way towards compact photonic entanglement generators, compatible with fiber-based communication systems and networks. This has been underlined by generating and distributing hyperentanglement in 5x2 dense wavelength division multiplexed channel telecom pairs, simultaneously, towards higher bit rates. The quality of the generated entanglement has been qualified by violating the Bell inequalities in a 16-dimension Hilbert space. Moreover, to adapt the wavelength of the entangled telecom photon pairs to the absorption wavelength of current quantum memory systems, a coherent wavelength converter is demonstrated. Furthermore, within the framework of quantum metrology, a new concept for a high-precision chromatic dispersion (CD) measurement in standard single mode fibers is introduced and demonstrated. In this demonstration, due to conceptual advantages enabled by quantum optics, an unprecedented 2.6 times higher accuracy on CD measurements is shown, compared to state-of-the-art techniques. In the same context, a new protocol for measuring two-photon phase shifts is performed using single photon detection only, promising scalable and potential real device applications with limited resources and simplified detection schemes. Finally, any potential application of quantum optics will be realized using small-scale devices. In this framework, an integrated on-chip heralded path entanglement generator is demonstrated, and shown to be adaptable to logic gate operations.; Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique en vue d'applications en sciences information quantique. Dans ce contexte, nous présentons une source très performante et entièrement guidée permettant, au moyen d'une boucle de Sagnac, la génération d'états hyper-intriqués en polarisation et en énergie-temps. La configuration guidée rend le dispositif versatile, efficace et compatible avec une large bande spectrale, répondant ainsi au besoin des systèmes et réseaux de communication fibrés. À cette fin, nous avons distribué simultanément dans différents canaux télécoms des paires de photons hyper-intriqués au moyen de multiplexeurs en longueur d'onde à 5 canaux (DWDM), augmentant de fait le débit. La qualité de l'intrication est validée par la violation d'une inégalité de Bell étendue à un espace de Hilbert à 16 dimensions. Afin de pouvoir interfacer des photons aux longueurs d'ondes des télécommunications avec les bandes d'absorption des mémoires quantiques situées dans le visible, nous avons également développé une interface cohérente en longueur d'ondes. Un nouveau dispositif de métrologie quantique permettant la mesure avec une précision inégalée des effets de la dispersion chromatique dans les fibres optiques standards est également proposé. Notre approche "quantique" améliore la précision par un facteur 2.6 par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Dans ce même contexte, nous avons aussi implémenté un nouveau protocole de métrologie de la phase de deux photons en ne détectant uniquement qu'un seul photon. Cette réalisation ouvre la voie à des applications potentielles simples s'appuyant sur peu de ressources au niveau de la détection. Finalement, dans la perspective de la miniaturisation de dispositifs quantiques, nous avons démontré un générateur d'intrication annoncée intégré sur puce qui trouve des applications en calcul et métrologie quantique.

The aim of this thesis was to develop photonic entanglement sources and study their implementation in the general field of quantum information technologies. To this end, a novel fully wave-guided, high performance photonic entanglement source is presented, able to generate hyper-entangled states in the observables of polarization and energy-time by means of a nonlinear Sagnac loop. The waveguide-based design makes it flexible, reliable, and adaptable to a wide spectral range, paving the way towards compact photonic entanglement generators, compatible with fiber-based communication systems and networks. This has been underlined by generating and distributing hyperentanglement in 5x2 dense wavelength division multiplexed channel telecom pairs, simultaneously, towards higher bit rates. The quality of the generated entanglement has been qualified by violating the Bell inequalities in a 16-dimension Hilbert space. Moreover, to adapt the wavelength of the entangled telecom photon pairs to the absorption wavelength of current quantum memory systems, a coherent wavelength converter is demonstrated. Furthermore, within the framework of quantum metrology, a new concept for a high-precision chromatic dispersion (CD) measurement in standard single mode fibers is introduced and demonstrated. In this demonstration, due to conceptual advantages enabled by quantum optics, an unprecedented 2.6 times higher accuracy on CD measurements is shown, compared to state-of-the-art techniques. In the same context, a new protocol for measuring two-photon phase shifts is performed using single photon detection only, promising scalable and potential real device applications with limited resources and simplified detection schemes. Finally, any potential application of quantum optics will be realized using small-scale devices. In this framework, an integrated on-chip heralded path entanglement generator is demonstrated, and shown to be adaptable to logic gate operations.; Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique en vue d'applications en sciences information quantique. Dans ce contexte, nous présentons une source très performante et entièrement guidée permettant, au moyen d'une boucle de Sagnac, la génération d'états hyper-intriqués en polarisation et en énergie-temps. La configuration guidée rend le dispositif versatile, efficace et compatible avec une large bande spectrale, répondant ainsi au besoin des systèmes et réseaux de communication fibrés. À cette fin, nous avons distribué simultanément dans différents canaux télécoms des paires de photons hyper-intriqués au moyen de multiplexeurs en longueur d'onde à 5 canaux (DWDM), augmentant de fait le débit. La qualité de l'intrication est validée par la violation d'une inégalité de Bell étendue à un espace de Hilbert à 16 dimensions. Afin de pouvoir interfacer des photons aux longueurs d'ondes des télécommunications avec les bandes d'absorption des mémoires quantiques situées dans le visible, nous avons également développé une interface cohérente en longueur d'ondes. Un nouveau dispositif de métrologie quantique permettant la mesure avec une précision inégalée des effets de la dispersion chromatique dans les fibres optiques standards est également proposé. Notre approche "quantique" améliore la précision par un facteur 2.6 par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Dans ce même contexte, nous avons aussi implémenté un nouveau protocole de métrologie de la phase de deux photons en ne détectant uniquement qu'un seul photon. Cette réalisation ouvre la voie à des applications potentielles simples s'appuyant sur peu de ressources au niveau de la détection. Finalement, dans la perspective de la miniaturisation de dispositifs quantiques, nous avons démontré un générateur d'intrication annoncée intégré sur puce qui trouve des applications en calcul et métrologie quantique.

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) is widely used as a non-intrusive and label-free tool to identify the molecular spectral fingerprints in pharmacology, biology, etc. This thesis presents a SERS sensor based on the hybrid waveguide made of metallic (Au/Al) slots and dielectric (Si3N4) strips and a method to improve the SERS-detection capacity by placing metallic nanoparticles into the sensor’s slot. The theoretical investigation of the sensor is mainly conducted by the 3D finite-difference time-domain method (3D-FDTD) which provides the broadband electromagnetic response of metallic nanostructures. The enhancement factors in the sensor’s slot are estimated based on the |E|4-approximation. The experiments are mainly the fabrication of metallic slots, which is conducted by the electron beam lithography (EBL), and the characterization of the SERS-detection capacity of the sensors. The results show that the Raman signals given out by the SERS sensors are detectable. Metallic nanoparticles, which are located in the sensor’s slot, can improve dramatically the SERS-detection capacity. By combining the SERS sensor with the extended photonic and electronic elements, a fully integrated-on-chip SERS detection system on a chip can be developed in the near future for portable and stable SERS detections; La spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) est largement utilisée comme un outil non-intrusif et sans marquage pour identifier les empreintes spectrales moléculaires dans des applications comme la pharmacologie, la salubrité des aliments, etc. Cette thèse présente un micro-capteur SERS basé sur un guide d'ondes hybride constitué de fentes métalliques (Au/Al) et de rubans diélectriques (Si3N4) et sur une méthode pour promouvoir la capacité de détection SERS en plaçant des nanoparticules métalliques dans la fente du capteur. L'étude théorique du capteur est principalement menée par la méthode des différences finies dans le domaine temps en trois dimensions (3D-FDTD) qui fournit la réponse électromagnétique à large bande des nanostructures métalliques. Les facteurs d'exaltation du capteur sont estimés par l’approximation |E|4. Les expériences sont basées principalement sur la fabrication de fentes métalliques, qui est réalisée par la lithographie à faisceau d'électrons (EBL), et sur la caractérisation de la capacité de détection SERS des capteurs. Les résultats montrent que les signaux Raman donnés par les capteurs SERS sont détectables. Les nanoparticules métalliques, qui sont situées dans le capteur, peuvent améliorer considérablement la capacité de détection SERS. En combinant le capteur SERS avec les éléments photoniques et électroniques, un système de détection SERS entièrement intégré sur une puce peut être développé dans un proche avenir pour des détections SERS portables et stables