Optique non linéaire dans les cristaux photoniques en semiconducteurs III-V

Jury composé de: R. BAETS(rapporteur), P LALANNE, A. LEVENSON (directeur de thèse) C. SIRTORI (rapporteur), J. TREDICCE (président du jury), P. VIKTOROVITCHThis work concerns both theoretical and experimental studies of nonlinear optics in photonic crystals based on III-V semiconductors. Photonic crystals, with their lattice dimensions of the order of the wavelength of the light, offer efficient ways to control the propagation of the electromagnetic fields. For instance, by adjusting the opto-geometrical parameters of these structures, it is possible to engineer the dispersion of the matter such as the light propagation is forbidden in every directions of the space. The aim of this PhD thesis is to demonstrate that this possibility to engineer the dispersion can also be advantageously used to enhance nonlinear interactions between light and matter. We will see that 1D and 2D photonic crystals are adequate structures to obtain efficient frequency doubling because they enable phase matching in very nonlinear materials such as AlxGa1-xAs and the slowing down of the light as well. We will also show that, by combining the nonlinear properties of III-V semiconductors to 2D photonic crystals, it is possible to realize the basic active functionalities for all-optical data processing such as laser sources, amplification, ultrafast switching...Ce travail de thèse constitue une contribution théorique et expérimentale aux études sur les effets d'optique non linéaires dans les cristaux photoniques en semiconducteurs III-V. Les cristaux photoniques sont des matériaux artificiels présentant une modulation périodique de l'indice de réfraction à l'échelle de la longueur d'onde de la lumière. En contrôlant les paramètres physiques de ces structures (périodicité, motifs, facteur de remplissage en air...), il est possible de réaliser une véritable ingénierie des propriétés dispersives de la matière pour, par exemple, empêcher la lumière de se propager dans toutes les directions de l'espace. L'objectif de cette thèse est de combiner les propriétés dispersives uniques des cristaux photoniques aux propriétés non linéaires très intéressantes des semiconducteurs III-V afin d'exalter les interactions non linéaires entre la lumière et la matière. Nous verrons que les cristaux photoniques 1D et 2D sont adéquats pour obtenir des effets non linéaires du second ordre (génération de seconde harmonique) efficaces sur de courtes distances car ils permettent de réaliser la condition d'accord de phase dans des matériaux fortement non linéaires comme l'AlxGa1-xAs tout en ralentissant la lumière. Nous montrerons également que les cristaux photoniques 2D en semiconducteurs III-V permettent de réaliser les briques de bases actives pour le traitement du signal tout optique comme des sources lasers, des amplificateurs, des commutateurs ultrarapides..