Nanophotonique, Modes quasi normaux, Optique non linéaire, Optique quantique, Champ proche

La nanofabrication a joué un rôle clé dans le développement de métamatériaux basés sur des semi-conducteurs III-V, de plus en plus étudiés pour réaliser des opérations de conversion de fréquences ou de contrôle de front d'onde en phase ou en amplitude. Les progrès en la matière ont permis de concevoir des métamatériaux à l'échelle nanoscopique, impliquant des nano-antennes aux formes parfois complexes et dont l'arrangement permet de générer des hologrammes, des faisceaux non-gaussiens, ou encore d'implémenter des phases topologiques. Dans cette thèse, les éléments constituant les métasurfaces diélectriques sont étudiés dans le cadre de la physique non-Hermitienne, avec l'utilisation des modes quasi-normaux pour modéliser des cavités à faibles facteurs de qualité résonantes dans le proche infrarouge. Nous nous sommes intéressés aux possibilités offertes par la structuration de couches minces épitaxiées d'AlGaAs, un matériau non-centrosymétrique à forte non-linéarité du second ordre. En particulier, nous explorons leur potentiel comme sources compactes de paires de photons intriqués générés par fluorescence paramétrique. Ce travail démontre les possibilités apportées par l'étude modale de nano-antennes diélectriques appliquée à l'ingénierie des états à deux photons pour les communications ou le calcul quantique. En complément de cette étude, j'ai aussi proposé une nouvelle approche pour modéliser les interactions entre les éléments constituant des métamatériaux de taille finie : les pertes, le rayonnement et les interactions avec l'environnement y sont décrites par un modèle reposant sur le couplage à un continuum de modes. Notre modèle a notamment permis de démontrer que des couplages longue distance existaient dans les métamatériaux, et que le contrôle des interactions entre nano-antennes constituaient un levier pour exacerber le confinement de la lumière dans chaque nano-élément. Cette approche modale a également été appliquée à des guides d'ondes photoniques couplés, avec une perspective commune : réaliser des phases topologiques compactes en contrôlant le couplage entre chaque élément. Pour chaque axe évoqué, les efforts de modélisation vont systématiquement de pair avec la fabrication d'échantillons et leur mesure dans le but de valider nos nouvelles approches théoriques. Les procédés de fabrication et les compétences acquises durant cette thèse ont aussi été mis à contribution dans le cadre de collaborations internationales, visant à concevoir et fabriquer de nouveaux métamatériaux non-linéaires actifs pour contrôler avec précision la lumière émise à la fois aux longueurs d'onde fondamentales et à la seconde harmonique.