Les sources infrarouges sont indispensables à la détection locale de gaz dans de nombreux domaines, que ce soit pour l’environnement (détection de polluants et gaz à effets de serre), la détection d’activité (capteurs de CO2) ou la défense (détection de menaces biologiques et chimiques). Elles sont également nécessaires pour le développement et les applications de caméras multi-spectrales infrarouges qui requièrent des mires de calibration et de simulation. Pour toutes ces applications, les systèmes doivent être à la fois compacts et économes en énergie ; par conséquent, il est nécessaire de disposer de sources infrarouges performantes.

Les sources thermiques, telles que les corps noirs de laboratoire ou les ampoules à incandescence, suivent la loi du rayonnement du corps noir et émettent dans toutes les directions et sur un large spectre. Le rendement pour la bande spectrale et angulaire recherchée est alors très faible et on comprend la nécessité de développer des sources capables d’émettre uniquement dans un domaine spatial et spectral limité.

L’objectif de cette thèse est de concevoir des sources thermiques infrarouges compactes et à coût modéré, à spectre accordable et à pertes réduites, pouvant être juxtaposées dans un même dispositif. Pour cela, mes travaux s’organisent autour de deux axes. Le premier concerne l’étude de nouveaux matériaux nanostructurés résonants, appelés métamatériaux ou métasurfaces selon les directions de la structuration, permettant de contrôler l’émissivité spectrale et spatiale afin de maîtriser la réponse spectrale en tout point. Cette étude repose à la fois sur des simulations numériques et sur des mesures expérimentales et démontre le potentiel de ces résonateurs pour la conception de sources thermiques accordables. Cependant, ces matériaux étant composés de métal, ils présentent des pertes par absorption dans l’infrarouge qui limitent leurs performances. Le deuxième axe de recherche est alors de gérer les pertes liées à l’utilisation de métaux grâce à une ingénierie des champs dans des métamatériaux, menant à des émissions spectralement très fines. Les résultats obtenus sur ce contrôle des pertes ouvrent de nombreuses perspectives pour tout le domaine des métamatériaux.

In this talk, I present the fabrication by molecular beam epitaxy of  strain-free GaAs/AlGaAs quantum dots (QDs) by infilling in-situ etched  nanoholes. After describing the process, I discuss how this QDs have been embedded in a two-dimensional electron gas (2DEG) heterostructure.The effect of the QDs on the 2DEG mobility will be discussed by comparing the magneto-transport measurements of the QD-2DEG sample with reference samples without QDs grown with similar conditions. Finally, I show the fabrication and characterisation of a lateral p-n junction with embedded QDs by locally inverting the n-type dopant (Silicon) with a p-type dopant (Zn). In particular, I will show the main result of this project, which is the elecotroluminescence of a single dot in proximity of the lateral p-n junction.

La photonique sur silicium est envisagée comme une solution technologique très prometteuse pour le remplacement des interconnexions électriques par des interconnexions optiques devant se produire dans les prochaines années. Des dispositifs optoélectroniques comme des sources lasers, des modulateurs et des détecteurs, ont été développés pour la réalisation de circuits intégrant des émetteurs/récepteurs. Parmi les défis devant être relevés pour faire avancé la photonique sur silicium, la réduction de la consommation électrique du modulateur est un point crucial. L’intégration des composants passifs et actifs en utilisant une seule et même technologie est également un enjeu majeur pour les futurs systèmes de communication optique. Grâce au développement de l'intégration hybride de semi-conducteurs III-V sur silicium pour la réalisation de sources laser sur silicium, de nouvelles voies peuvent être envisagée pour réaliser des modulateurs optiques et des photodétecteurs efficaces et compacts. De plus, les cristaux photoniques 2D (PhC) et spécifiquement les structures à ondes lentes, qui sont connues pour renforcer les interactions entre la lumière et la matière peuvent apporter des solutions intéressantes pour diminuer de manière ultime la puissance consommée. Dans ce contexte, les travaux menés durant ma thèse ont porté plus spécifiquement sur la conception, la fabrication et la caractérisation de modulateurs à électro-absorption à onde lente en semiconducteur III-V sur silicium. Dans une première partie consacrée à la modélisation, une attention particulière est portée à la conception du cristal photonique et au couplage de la lumière du guide silicium vers l’onde lente. Les performances de la structure optimisée sont aussi analysées, donnant un modulateur de seulement 18.75 μm de longueur fonctionnant à 15 GHz avec un taux d’extinction supérieure à 5 dB sur une gamme spectrale supérieure à 10 nm. Par la suite, l’ensemble des procédés de nanotechnologies durant la thèse pour la fabrication des dispositifs sont présentés. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus au cours de cette thèse démontrent l’effet Stark Confiné Quantiquement et l’effet de photodétection obtenu sur les structures intégrées. Les perspectives de ce travail de thèse concernent la réalisation de circuits intégrés photoniques complets, incluant sources lasers, modulateurs à électroabsorption et photodétecteurs en utilisant une seule et même technologie.

Les travaux de cette thèse portent sur le développement (modélisation, conception, réalisation et tests) d’une surface intelligente (smart surface) composée d’un réseau d'actionneurs numériques MEMS, capables de mouvoir des charges posées dessus. Pour la réalisation de ces smart-surfaces, deux voies ont été explorées : un actionnement par voie électromagnétique, constituée d’aimants fixes et mobiles, et un actionnement utilisant des éléments bistables couplés à des alliages à mémoire de forme. Dans le premier cas, la simulation de l’interaction magnétique entre un micro-actionneur et le champ créé par des pistes conductrices placées à proximité a été réalisée. Un réseau de 5x5 micro-actionneurs électromagnétiques quadristables a été ensuite conçu, réalisé et caractérisé. Ce démonstrateur est fonctionnel en convoyage d’objets légers en translation et en rotation. Dans le second cas, la conception et la réalisation d’un actionneur MEMS élémentaire ont été menées : des modèles analytiques ont été confrontés aux résultats obtenus par éléments finis, et enfin comparés aux résultats expérimentaux. Ces travaux ciblent la problématique de la commande des systèmes mécatroniques, à actionneurs multiples, aux échelles méso ou microscopique. La connectique associée est un problème récurrent dans les systèmes fortement miniaturisés, les structures présentées ici présentent un fort potentiel de réduction des connexions filaires, voire leur élimination complète.

Les métamatériaux (MMs) sont des composants artificiels présentant des propriétés électromagnétiques qui n'existent pas dans les matériaux conventionnels naturels. Malgré des développements spectaculaires depuis les années 2000 en radiofréquence et aussi en optique, principalement en mode radiatif, les applications des MMs en optique guidée dans l'objectif de la miniaturisation des composants optoélectroniques sont restés très rares. Donc, poursuivant les recherches sur les MMs plasmoniques en optique guidée initiées par M. Kanté, Mme Ghasemi et Mme Dubrovina, ce travail de thèse constitue une contribution originale à la conception et à la réalisation de composants optoélectroniques basés sur des MMs, y compris leur simulation et leur caractérisation. Durant cette thèse, 3 composants ont été proposés dont 2 ont été réalisés et caractérisés. Ce sont littéralement les premières démonstrations d'applications des MMs à des composants compacts en optique guidée et on peut en conclure qu'une nouvelle famille de composants infrarouges est ici proposée. Cette approche considérée est générique, et elle est compatible avec les plateformes de circuit intégrés conventionnels: Si, InGaAsP / InP, silice dopé, etc. En outre, on démontre que le contrôle à la fois de la variation de l'indice effectif du guide associé au MM et de la fréquence de résonance du MM avec qui travaillent ces composants, sont accessibles simplement en modifiant les dimensions des nanofils qui les composent. Cela permettra à ces composants de fonctionner à d'autres fréquences intéressantes.

Cette thèse est une contribution à modélisation et à l’étude expérimentale de cavités à cristaux photoniques à fente développées en vue d’un intégration hybride de matériaux actifs sur silicium. Parmi les travaux de conception, nous avons d'abord utilisé la méthodes des ondes planes et la méthode FDTD pour concevoir une série de cavités SOI à hétérostructure mécaniquement robustes (approche non membranaire), présentant des longueurs d'onde de résonance dans la gamme des télécommunications (1,3 μm - 1,6 μm), des facteurs de qualité de plusieurs dizaines de milliers, et des volumes modaux proches de 0,03(/n)3. Nous avons ensuite étudié analytiquement et numériquement le couplage entre une cavité à cristaux photoniques à fente et un guide d’onde à fente par la théorie des modes couplés, complétée par des simulations FDTD, qui ont permis de confirmer la possibilité d’exciter efficacement les modes de fente des cavités à partir d’un guide externe. Enfin, nous avons étudié numériquement et semi-analytiquement des géométries de molécules photoniques constituées de deux cavités à cristaux photoniques à fentes couplées, dont l’écart fréquentiel entre les supermodes a pu être ajusté en amplitude en signe. Nous avons utilisé une méthode perturbative (« Tight binding ») pour estimer les distributions spatiales des modes des molécules photoniques et prédire leurs fréquences dans plusieurs configurations de cavités de cristaux photoniques à fentes couplées. Ce travail a été complété par une partie expérimentale qui a permis de confirmer les propriétés des cavités à cœur creux dimensionnées par simulation numérique. Des facteurs Q/V supérieurs à 600 000 et atteignant 106 dans le meilleur des cas (vers 1,3µm) ont ainsi été observés. Cette phase expérimentale préliminaire a donné ensuite lieu à deux types de développements. Tout d’abord, les propriétés des cavités à cristaux photoniques à fentes ont été étudiées pour des applications en détection d’indice en volume, et testées en utilisant différents liquides d’indice de réfraction compris entre 1,345 à 1,545. Les résonateurs étudiés ont présenté des facteurs de mérite de détection d’indice (FOM=SQ/0) de l’ordre de 3700. Dans une autre direction, l’utilisation de ces résonateurs diélectriques à fente a été explorée en vue d’une intégration des matériaux actifs sur silicium. Un polymère dopé aux nanotubes de carbone semiconducteurs a été déposé comme matériau de couverture en vue d’étudier le renforcement de la photoluminescence (PL) des nano-émetteurs sous pompage optique vertical vers =740nm. Les expériences conduites ont permis de corréler le renforcement de la PL des nanotubes avec les modes de résonance des cavités et de démontrer le couplage partiel de cette PL vers des guides SOI longs de plusieurs millimètres (collection par la tranche vers 1,3µm), apportant une preuve de principe d’une possible intégration de nanotubes de carbone pour l’émission de lumière couplée à des guides SOI.

Les semi-conducteurs nitrures d’ éléments III sont des matériaux extrêmement intéressants pour la photo- nique intégrée sur silicium. Ils sont transparents sur une gamme très étendue et possèdent des susceptibilités non linéaires non nulles, ce qui rend possible les expériences non linéaires d’ordre deux et d’ordre trois. Dans ce contexte, cette thèse a été consacrée à l’étude de circuits photoniques avec des micro-résonateurs tels que les cristaux photoniques et les microdisques en matériau GaN/AlN épitaxiés sur Si. Le dessin des microcavités et des procédés de fabrication sont optimisés afin d’obtenir un mode résonant dans le proche infrarouge avec un facteur de qualité de 34000 pour les cristaux photoniques et de 80000 pour les microdisques. J’ai étudié sur ces circuits photoniques les propriétés de conversion harmonique telles que la génération de seconde harmonique (SHG) et la génération de troisième harmonique (THG). En utilisant les propriétés de la THG, en combinant simplement un objectif optique et une caméra CCD, j’ai effectué l’imagerie des modes de cristaux photoniques du proche infrarouge avec une résolution spatiale sub-longueur d’onde (300 nm). J’ai également effectué l’imagerie de SHG sur des microdisques avec une excitation optique en résonance avec un mode de galerie pour le laser pompe. La dernière partie porte sur l’étude de la SHG en accord de phase entre les modes TM-0-0-X et TM-0-2-2X en variant le diamètre du disque avec un pas extrêmement faible. Cela a été effectué pour les modes résonants de facteurs de qualité autour de 10000. Ces démonstrations montrent le potentiel des semi-conducteurs de III-nitrures pour la réalisation des circuits optiques sur silicium à deux dimensions.