Ce travail a été consacré à l'étude des nonlinéarités de troisième ordre dans des structures intégrées compatibles avec la filière silicium, incluant des matériaux en rupture de l’état de l’art (chalcogénures, alliages GeSi à forte concentration en germanium) et des structures de guidage à exaltation du champ électromagnétique (cavités, modes lents). Tout d'abord, nous avons développé une méthode simple et fiable, originale au regard des travaux antérieurs, non destructive, et à faisceau unique, pour la caractérisation des effets de troisième ordre instantanés. Elle permet de quantifier la susceptibilité non linéaire effective dans des guides d'ondes quelconques. La méthode a été dénommée "Top-hat D-Scan bi-directionnelle" et constitue un analogue temporel de la méthode Top-hat Z-Scan développée pour les matériaux massifs. Nous avons établi un modèle analytique et numérique et nous rendons compte des premières mesures en configuration guidée utilisant des impulsions mises en forme dans un étireur et complétée par une procédure d’injection bi-directionnelle. L’ensemble instrumental développé constitue une expérience de métrologie des effets non-linéaires dans des guides d’ondes pour la photonique silicium au meilleur niveau de l’état de l’art. La méthode proposée a été appliquée à des guides Si3N4, Si1-xGex (x>0.7), et chalcogénures, révélant de riches perspectives quant à l’utilisation de ces deux dernières familles de matériaux pour des applications dans le proche (1.55μm) et le moyen infra-rouge (2μm-10μm). Dans une autre direction dédiée à l’ingénierie des nonlinéarités d’ordre 3 en photonique sur silicium, et forts de l’outil métrologique développé, nos travaux d’exploration des interactions non linéaires lumière-matière ont été consacrés à deux grandes familles de nanostructures photoniques : des microcavités optiques et guides d'ondes en régime de lumière lente. Dans la première des deux situations, les variations d'indice provoquées par les nonlinéarités sont responsables d’un décalage des fréquences de résonance excluant leur coïncidence avec la fréquence du signal d'excitation et diminuant ainsi l'efficacité de l'injection optique de manière drastique. Afin de maintenir le bénéfice de localisation de la lumière tout au long de l'excitation pulsée, nous avons étudié expérimentalement et numériquement le comportement d'une cavité en silicium conçue, fabriquée, et enfin excitée par une impulsion présentant une puissance crête élevée. En contrôlant temporellement la phase des composantes spectrales injectée, la relation de phase spectrale compensant la dérive de fréquence non linéaire de la résonance de la cavité, nous avons effectué une étude rigoureuse de l'excitation cohérente d'une micro-cavité silicium non linéaire. Nous avons également consacré des efforts importants à concevoir, fabriquer et caractériser des guides d'ondes à cristaux photoniques à fente sur silicium, support d’une intégration hybride de matériaux optiques non-linéaires sur silicium. Les résultats rapportés fournissent la première preuve expérimentale d’un contrôle précis des propriétés de dispersion de guides à cristaux photoniques à fente propres à être remplis par des matériaux souples comme des polymères ou des couches minces dopées. La dispersion de groupe des modes lents guidés est contrôlable en signe et en amplitude et correspond à des bandes passantes optiques exploitables (~15nm). Ces résultats démontrent l’intérêt pour le traitement tout-optique des données sur puce des guides à modes lents à coeur creux utilisant des effets optiques non linéaires d’ordre trois pour le traitement des données.

Nonlinear Photonic Nanostructures based on Wide Gap Semiconductor Compounds *Composition du jury:* Prof. Dr. Giuseppe Leo (LMPQ, Université Paris Diderot, France) . . . . . . . . . . . . Rapporteur Prof. Dr. Marco Santagiustina (University of Padova, Italy) . . . . . . . . . . . . . . Rapporteur Prof. Dr. Fabien Bretenaker (LAC, Université Paris Saclay, France) . . . . . . . . . . Examinateur Prof. Dr. Allard P. Mosk (Utrecht University, The Netherlands) . . . . . . . . . . . . Examinateur Dr. Christelle Monat (INL, Ecole Centrale de Lyon, France) . . . . . . . . . . . . . . Examinateur Dr. Alfredo De Rossi (Thales Research & Technology, France) . . . . . . . . . . . . . . Directeur de Thèse Dr. Isabelle Sagnes (C2N, CNRS, France) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Co-Directeur de Thèse Dr. Fabrice Raineri (C2N, CNRS, France) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Co-encadrant Dr. Sylvain Combrié (Thales Research & Technology, France) . . . . . . . . . . . . . . .Invité

A major advantage of semiconductor nanowires (NWs) is the possibility to integrate these nanomaterials on various substrates. This perspective is particularly attractive for III-nitrides, for which there is a lack of an ideal substrate. We examined the use of novel templates for growing GaN NWs by plasma assisted molecular beam epitaxy. We explored three approaches with a common feature: the base support is a costefficient amorphous substrate and a thin crystalline material is deposited on the support to promote epitaxial growth of GaN Nws. In the first approach, we formed polycrystalline Si thin films on amorphous support by a process called aluminum-induced crystallization (AIC-Si). The conditions of this process were optimized to get a strong [111] fiber-texture of the Si film which enabled us to grow vertically oriented GaN NWs. The same idea was implemented with graphene as an ultimately thin crystalline material transferred on SiOx. We illustrated for the first time in literature that GaN NWs and the graphene layer have a single relative in-plane orientation. We propose a plausible epitaxial relationship and demonstrate that the number of graphene layers has a strong impact on GaN nucleation. Proof-of-concept for selective area growth of NWs is provided for these two approaches. As a simple approach, the possibility of growing NWs directly on amorphous substrates was explored. We use thermal silica and fused silica. Self-induced GaN NWs were formed with a good verticality on both substrates. Based on our observations, we conclude that the epitaxial growth of GaN NWs on graphene looks particularly promising for the development of flexible devices.