Cette thèse se concentre sur la conception de l'architecture d'un système d'imagerie hyperspectrale active dans le moyen infrarouge, mettant l'accent sur la mesure précoce et précise du stress hydrique chez les plantes. Malgré le potentiel élevé de cette technologie en agriculture, son utilisation demeure limitée en raison du coût des équipements. L'objectif de l'étude est d'améliorer la compréhension technologique et scientifique de l'imagerie hyperspectrale active, en évaluant l'impact du speckle sur les images et en proposant des solutions numériques et optiques. L'intégration d'un diffuseur rotatif a permis de réduire le speckle, tandis que des améliorations de l'éclairage ont préservé la résolution des images. L'étude a révélé que la source laser active induit des distorsions liées au déplacement du faisceau lors de modifications de la longueur d'onde, avec des fluctuations de puissance atteignant environ 20 %. Ces difficultés ont été surmontées grâce à l'utilisation de miroirs motorisés calibrables et d'un anneau de référence, réduisant les fluctuations de puissance à 2,8 % grâce à un algorithme de compensation. En conclusion, le banc expérimental caractérise les échantillons végétaux en termes de stress hydrique, permettant une détection précoce dès le quatrième jour, avec des applications potentielles dans divers domaines pour la caractérisation des matériaux dans une scène observée.

Cette thèse est consacrée à l'étude du transfert de pureté spectrale par injection optique avec la variation de la cohérence du signal injecté. L'idée principale est de distribuer cette forte cohérence à d'autres sources. L'injection optique peut-être défini comme le couplage unidirectionnel entre deux lasers : l'un, appelé maître, alimente en photons la cavité d'un second laser, appelé esclave. Cette technique de synchronisation en fréquence et en phase est couramment analysée à partir des spectres optiques, du comportement temporel ou du bruit d'intensité relatif du laser injecté. Notre analyse est faite grâce à la densité spectrale de puissance du bruit de fréquence, afin de comparer l'influence d'une source externe à la source spontanée interne. Différents lasers accordables sont utilisés pour un contrôle de la cohérence. Un étage de laser à fibre Brillouin (BFL) est ajouté pour former une source plus cohérente (< kHz ou au Hz), avec une longueur d'onde sélectionnable sur la bande C. Un deuxième étage BFL permet d’atteindre 3 mHz. Notre étude se concentre sur le seuil d’accrochage en fréquence, ou la puissance optique minimale requise pour un transfert total de pureté. Lorsque l'on diminue la largeur de raie (30 kHz) d'un facteur 10, le seuil augmente du même facteur; mais seulement de +4 dB pour passer de 3 kHz à 1 Hz. Ceci ouvre la possibilité d'un transfert de grande pureté par injection optique sans pénalité sur la puissance optique.

La demande croissante de débit, principalement pour les réseaux d’accès fixes et mobiles, pousse les acteurs des télécommunications à faire évoluer voire à réinventer les réseaux. Les nouveaux usages offerts aux utilisateurs des réseaux, tels que les nouvelles générations de réseaux mobiles, la télémédecine, le développement du télétravail, des visioconférences, des échanges par visiophonie à usage personnel ou encore la réalité virtuelle sont les principales raisons de ces évolutions. Le réseaux d’accès optique représente les derniers kilomètres du réseau de télécommunications permettant d’apporter la connectivité au plus proche des utilisateurs. Dans cette thèse, nous étudions l’évolution des technologies optiques pour permettre la montée en débit dans les réseaux d’accès. L’utilisation de technique d’amplification optique ainsi que des composants photoniques à l’état de l’art nous permet de montrer des performances à l’état de l’art et compatibles avec l’infrastructure existante. L’utilisation d’un format de modulation d’amplitude multi-niveaux est également étudiée dans le cadre de la montée en débit pour les réseaux mobiles. Un lien optique supportant jusqu’à 27,5 dB de pertes à un débit maximum de 400 Gbit/s est obtenu. Les travaux de cette thèse contribuent à l’évolution des interfaces optiques des réseaux d’accès vers le très haut débit.

La photonique sur silicium offre des solutions pour répondre aux besoins de débits croissants au sein des centre de données, en proposant des composants à bas coût, productibles en grande quantité, compatibles avec les procédés de fabrication de la micro-électronique industrielle et à faible consommation d’énergie. Parmi ces composants, les modulateurs sont des éléments clés dont la fonction est de convertir l’information portée sur un support électrique vers un support optique. Cette thèse étudie numériquement et expérimentalement différentes structures de modulateurs en silicium permettant de moduler efficacement la phase et/ou l’amplitude d’une onde optique. Une attention particulière est portée sur les micro-résonateurs en anneau de par leur efficacité et leur compacité. Une telle structure est modélisée puis étudiée dans différents régimes de modulation. Les propriétés de chirp de ce type de modulateur sont complètement caractérisées numériquement et expérimentalement pour la première fois à notre connaissance, ce qui laisse entrevoir de potentielles applications comme les réductions des pénalités dans les transmissions inter-centre de données. Enfin, des peignes de fréquences électro-optiques sont générés et optimisés avec ce même type de modulateur, grâce à un algorithme d’optimisation. Une très bonne planéité est obtenue pour chaque peigne, relativement au nombre de lignes générées. Avec un taux de répétition approprié, de tels peignes pourraient être utilisés comme des sources multi-longueur d’onde pour les transmissions utilisant le multiplexage de longueurs d’onde.

Les couches minces à base de nitrure de silicium (SiNx) ont été reconnus comme des diélectriques essentiels dans l'industrie microélectronique et optoélectronique en raison de leurs propriétés intéressantes. Dans cette thèse, nous décrivons comment contrôler l'indice optique et les propriétés mécaniques des couches de SiNx et d'oxynitrure de silicium (SiOyNx) en ajustant les paramètres du processus de dépôt. Nous utilisons deux types de réacteurs de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma : un réacteur standard à couplage capacitif avec excitation radiofréquence et un réacteur à résonance cyclotron électronique avec excitation micro-onde. Nous discutons de la fabrication et de la caractérisation des structures multicouches comme application optique de nos couches minces. Nous focalisons sur la caractérisation et la compréhension des propriétés optiques de ces couches minces grâce à l’ellipsométrie spectroscopique. Nous étudions également expérimentalement leurs propriétés mécaniques en utilisant la technique de mesure de la courbure des substrats, la fabrication de microstructures et les mesures de nanoindentation. Enfin, nous montrons des mesures précises de la distribution des contraintes induites dans le GaAs lorsque de tels couches minces sont structurés sous forme de rubans allongées de largeur variable, en utilisant la lithographie optique et la gravure au plasma. Pour cela, nous cartographions la déformation anisotrope, en mesurant le degré de polarisation de la photoluminescence (PL) à intégration spectrale générée au sein du GaAs par excitation avec un laser rouge. La PL des semi-conducteurs cubiques massifs tels que le GaAs n'est pas polarisé, tandis que sous une contrainte anisotrope un certain degré de polarisation est produit. Ces cartographies ont été mesurées soit à partir de la surface du semi-conducteur, soit à partir de sections transversales clivées. Ils fournissent une image détaillée et complète de la déformation cristalline au voisinage de la couche contrainte structurée. Ensuite, nous avons effectué des simulations par éléments finis en essayant de reproduire les cartographies expérimentales. Nous pensons que notre schéma de simulation est utile pour la conception des composants photoniques, par exemple pour prédire les changements locaux de l'indice de réfraction dus à l'effet photoélastique.

Dans le domaine des télécommunications, l'amplification Raman nécessite des lasers de pompe émettant de fortes puissances et un taux de polarisation très élevé. Les travaux présentés ici ont pour objectif principal, la caractérisation électro-optique des lasers de pompe InP émettant dans la gamme 1400-1500 nm et reportés « p-down » sur leur embase. Nous présentons, à travers différents moyens de caractérisation, une étude comparative permettant de comprendre quelles sont les étapes et les conditions du report qui influent sur la performance et la qualité de la polarisation optique de ces composants. Nous avons démontré que les contraintes induites lors de certaines étapes de l’assemblage, peuvent affecter la polarisation en dessous et au-dessus du courant de seuil du laser. Il est possible de minimiser cet impact en modifiant certains paramètres lors du report, comme l’outil ou la température du cycle d’intégration en module. Une étude du faisceau laser et de son champ proche résolue en polarisation, nous a permis d’analyser la distribution spatiale du mode fondamental TE, répartie selon ses deux composantes de polarisation, Ex et Ey. Enfin, l’utilisation de la mesure du degré de polarisation linéaire de la photoluminescence (DOLP), nous a permis de visualiser les déformations anisotropes induites sur la facette émettrice des lasers par ces différents procédés.

Cette thèse porte sur la caractérisation linéaire et non linéaire de microdisques de GaP intégrés sur substrats Si et GaP. Nos mesures de transmission optique dans les bandes SWIR et NIR démontrent que ces structures sont adaptées à l’étude de processus non-linéaires tel que la génération de seconde harmonique (SHG). L'analyse statistique des facteurs de qualité permet d’identifier diverses pertes optiques affectant les microdisques GaP/Si à polarité cristalline aléatoire. Si la contribution principale aux pertes optiques reste la rugosité latérale des disques, une contribution non-négligeable provient de l’absorption par les parois d’antiphases (APBs) générées dans le GaP lorsqu’il est épitaxié sur Si, limitant le facteur de qualité de ces dispositifs à quelques dizaines de milliers. Concernant les expériences d’optique non linéaire, un processus SHG basé sur un quasi-accord de phase strict est démontré pour la première fois, dans les microdisques GaP/GaP. Nous démontrons ainsi que, malgré les facteurs de qualités modestes de nos structures, l’optimisation des processus nonlinéaires dans les microdisques III-V est encore possible via la sélection rigoureuse du processus d’accord de phase. Dans le cas des des microdisques GaP/Si présentant un polarité cristalline aléatoire, la réponse non-linéaire montre un comportement prometteur d’up-conversion à haute puissance, même s’il est difficile à ce stade de confirmer le processus en jeu.

La polarisation est une des propriétés physiques de la lumière, modifiée lors d’une interaction entre celle-ci et la matière, mais indétectable à l’œil nu et aux capteurs d’image standards. Des imageurs polarimétriques ont été conçus de longue date pour permettre d’analyser cette information et mettre en évidence des contrastes invisibles aux imageurs standard. L’Institut Foton développe depuis plusieurs années une technique d’imagerie polarimétrique, inspirée d’approches optique-hyperfréquence, dite par « brisure d’orthogonalité ». La première partie de ce travail de thèse détaille un protocole de calibration rigoureux de la chaîne d’acquisition/démodulation cohérente, et valide une imagerie sélective de propriétés polarimétriques des échantillons imagés dite brisure d’orthogonalité « induite ». Par ailleurs, en imagerie cohérente, un des phénomènes physiques macroscopiques bien connu est celui de la dépolarisation spatiale (volumique et/ou surfacique) qui demeure un sujet d’investigation à l’échelle « locale », c’est-à-dire à l’échelle des grains de speckle (tavelures) formés lors de la diffusion lumineuse cohérente par un objet complexe et désordonné. Ainsi, pour mieux comprendre ce mécanisme, nous présentons les améliorations (instrumentales, méthodologiques et en termes de traitement de données) que nous avons apportées à un banc d’imagerie polarimétrique de Stokes de champ de speckle hautement résolu existant au sein de l’Institut FOTON. Nous démontrons que l’optimisation du protocole d’acquisition portant sur le choix des états d’analyse et de la méthode d’estimation permet une détermination précise et rapide de l’information polarimétrique, plus robuste notamment aux imperfections expérimentales (erreurs systématiques). Des expériences similaires ont démontré l’existence d’un phénomène dit de « repolarisation », où la lumière résultante d’une source cohérente dépolarisée avec un milieu dépolarisant/diffusant se retrouve localement partiellement polarisée. En combinant le banc d’imagerie et l’approche d’imagerie optique-hyperfréquences par brisure d’orthogonalité, nous sommes parvenus à mesurer des contrastes polarimétriques dit de brisure d’orthogonalité, inédits à l’échelle du champ de speckle. Ces nouveaux contrastes couplés à l’imagerie de Stokes classiques nous permettent d’apporter une interprétation expérimentale nouvelle et éclairante du phénomène de « repolarisation ».

Ce travail de thèse porte sur la réalisation d’un VECSEL pompé électriquement (EP-VECSEL) mono-fréquence fonctionnant en régime classe A faible bruit et l’étude des boites quantiques (BQs) pour la réalisation d’un VESCEL pompé optiquement (OP-VECSEL) bi fréquence. Ces dispositifs émettent à 1.5 µm. En intégrant une zone active pompé électriquement à base de puits quantiques (PQs) dans une cavité courte (1 cm) et de grande finesse, nous avons pu démontrer pour la première fois avec ce type de laser le régime classe A. En régime mono fréquence, la puissance optique maximale obtenue est de 3 mW. Cela nous a permis de mesurer un niveau de bruit d’intensité relatif (RIN) faible de - 160 dB/Hz limité par le bruit de grenaille sur une large bande passante allant de 2 MHz à 20 GHz. La compacité, la faible consommation de puissance et le faible bruit de ce laser présentent un intérêt certain dans des domaines tels que l’optique micro-ondes ou les télécommunications cohérentes. Dans le cadre de cette étude, nous avons également étudié un VECSEL bi-fréquence à base de BQs, afin de réaliser une mesure directe de la constante de couplage de Lamb C. Des premières mesures ont permis de caractériser ce dispositif en régime multimode. Un effet de filtrage des modes longitudinaux a été constaté lié au dissipateur de chaleur de diamant intracavité collé sur la puce. L’oscillation de deux polarisations linaires orthogonales, nécessaires à la mesure de la constante de couplage, a également été obtenue expérimentalement. Ces mesures ont permis d’établir que le gain accessible sur le dispositif à BQs ne permettait pas pour l’instant de compenser toutes les pertes optiques introduites par les éléments intracavité du banc expérimental dédié pour la mesure de la constante de couplage. Cette étude reste à finaliser pour pouvoir conclure sur l'intérêt des BQs pour la réalisation des lasers bifréquences.

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.