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Die enormen Fortschritte im Bereich der Halbleiter-Nanotechnologie haben es in den letzten Jahren erlaubt, quantenoptische Phänomene nicht nur in atomaren Systemen, sondern auch mehr und mehr in Festkörpern zu beobachten. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im Rahmen der Kavität-Quantenelektrodynamik, kurz cQED. Das große Interesse an diesem sehr aktiven Feld der modernen Quantenoptik erklärt sich über die mögliche Anwendung von cQED-Effekten in neuartigen Lichtquellen und Elementen der Quanteninformationsverarbeitung. Halbleiterstrukturen zeichnen sich in diesem Zusammenhang durch eine potentiell hohe Skalierbarkeit sowie ein kompaktes und effzientes Design aus. Die gewünschte Wechselwirkung kann jedoch nur in qualitativ hochwertigen Halbleiterstrukturen mit quasi nulldimensionalem Licht- und Ladungsträgereinschluss realisiert werden. Daher wird weltweit mit hohem technologischen Aufwand an der Realisierung von Mikroresonatoren mit Quantenpunkten als diskrete Photonenemitter geforscht. Erste Erfolge auf diesem Gebiet haben es erlaubt, Licht-Materie-Wechselwirkung im Regime der schwachen, von dissipativen Verlusten geprägten Kopplung zu verwirklichen. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit dem kohärenten Kopplungsverhalten zwischen einzelnen Quantenpunkt-Exzitonen und dem Vakuumfeld von Mikroresonatoren. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, den experimentellen Nachweis der starken Kopplung in III-V Fabry-Pérot Mikroresonatoren mit Quantenpunkten als aktive Schicht zu erbringen. Darüber hinaus wird aber auch die kohärente Kopplung von zwei Quantenpunkt-Exzitonen über das Vakuumfeld des Resonators experimentell untersucht. Quantenpunkt-Mikroresonatorstrukturen sind aufgrund ihrer hohen Güten und großen Purcell-Faktoren weiterhin prädestiniert für den Einsatz als Mikrolaser mit sehr geringer Laserschwelle. Neben der Herstellung und Charakterisierung von Mikrolasern mit großen Q-Faktoren befasst sich die vorliegende Arbeit mit dem Einfluß einzelner Quantenpunkt-Exzitonen auf das Lasing-Verhalten eines Mikroresonators, mit dem Fernziel einen Einzelquantenpunkt-Laser zu realisieren. Für die Verwirklichung dieser beiden Hauptziele werden Mikroresonatoren höchster Güte benötigt. Dies stellt enorme Anforderungen an die Technologie der Mikroresonatoren. Der vertikale Aufbau der hier vorgestellten GaAs/AlAs Fabry-Pérot Mikroresonatoren mit ihren InGaAs-Quantenpunkten als aktive Schicht wird mittels Molekularstrahlepitaxie realisiert.... / The enormous progress in semiconductor nanotechnology has allowed observing quantumoptical phenomena so far not only in atomic systems but also in solids. Interaction between light and matter in the context of cavity quantum electrodynamics (cQED) have drawn particular attention from many researcher, because possible application of cQED effects in new types of light sources and elements of quantum information processing is a highly compelling research perspective. Semiconductor structures are distinguished in this context by a potentially high scalability, as well as a compact and efficient design. The desired interaction can only be realized in high-quality semiconductor structures with quasi zero-dimensional confinement for light and carrier. Therefore, the realization of microresonators with quantum dots as discrete photon emitters pushed this field of research forward, worldwide. The first breakthrough in this area demonstrated the interaction between light and matter in the regime of weak coupling, dominated by dissipative coupling losses. Considering this background, the present work deals with the coherent coupling behavior between individual quantum dot excitons and the vacuum field of microresonators. The main goal of this work is the experimental proof of strong coupling between III-V Fabry-Pérot microresonators and quantum dots used as an active medium. In addition, the coherent coupling of two quantum dot excitons and the vacuum field of the resonator is experimentally investigated. Quantum dot microresonator structures are furthermore predestined to be used as microlasers with very low laser threshold resulting from their high quality and large Purcell factors. Apart from fabrication and characterization of the microlasers with large Q-factors, the present work studies the influence of an individual quantum dot exciton on the lasing behavior of a microcavity to realize the ultimate goal of a single quantum dot laser. For the realization of both goals microresonators with highest quality factors are required. This puts enormous pressure on the technological development of microresonators. The vertical structure of the presented GaAs/AlAs Fabry-Pérotmicroresonators with InGaAs quantum dots as the active region is realized by molecular beam epitaxy. The lateral structure of the microresonators is transmitted to the probe material by high-resolution electron beam lithography. A dry chemical etching process formed the cylindrical shape of the resonator. The experimental approach to the coupling behavior between quantum dot excitons with the vacuum field of the resonator is mainly studied by high-resolution microphotoluminescence spectroscopy.

Les réseaux de diffraction sont largement utilisés dans le traitement optique de l'information. Toutefois, les applications nécessitent des efficacités de diffraction importantes, d'excellentes résolutions dans le domaine des fréquences spatiales et des temps de réponses appropriés à la fonction recherchée (grande durée de vie pour les mémoires, temps de réponses rapide pour les opérations de traitements de l'information...). Ces qualités étant difficiles à obtenir à l'aide des matériaux existants, une solution consiste à placer le matériau non-linéaire à l'intérieur d'une cavité Fabry-Pérot, avec le double avantage d'obtenir une efficacité de diffraction fortement accrue et une résolution dans le domaine des fréquences spatiales améliorée. Le mémoire rapporte comment l'utilisation d'un milieu intracavité amplificateur permet d'accroître encore davantage la puissance du faisceau diffracté, avec des efficacités de diffraction largement supérieures à l'unité. Les propriétés diffractives des réseaux d'indice et/ou de gain insérés dans un résonateur de Fabry-Pérot amplificateur de longueur supérieure ou égale à l'épaisseur du réseau sont analysées théoriquement et expérimentalement. Un modèle analytique a été élaboré et a permis de montrer l'immense potentiel de tels dispositifs, en terme de sélectivité angulaire et d'efficacité de diffraction, cette dernière pouvant être très largement supérieure à l'unité. Un dispositif expérimental a ensuite été conçu afin de prouver la faisabilité du concept et de valider le modèle analytique. Le milieu non-linéaire intracavité est un cristal de Nd:YVO4. Le réseau est inscrit optiquement par absorption de la figure d'interférence de deux faisceaux d'écriture. La diffraction du signal de lecture est analysée autour de la double résonance de Bragg et de Fabry-Pérot, ainsi qu'à proximité de l'une ou de l'autre résonance séparément, afin de remonter aux propriétés diffractives du réseau. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les calculs numériques issus du modèle analytique. La comparaison avec le réseau de Bragg hors cavité montre l'amélioration significative apportée par la cavité amplificatrice: l'efficacité de diffraction est augmentée d'un facteur 5000 et la sélectivité angulaire d'un facteur proche de 20. Ces résultats sont très encourageants pour une application de ce type de dispositif au traitement optique de l'information, surtout dans le cas où une très forte sortance est nécessaire.

Le travail de cette thèse concerne le développement d'un spectromètre de résonance paramagnétique électronique haute fréquence en mode continu (RPE-HF en mode continu) existant au laboratoire pour l'utiliser en mode pulsé. Cette thèse est divisée en deux parties : la première, technique, décrit les essais entrepris pour développer un spectromètre RPE-HF opérant a 285GHz en mode pulsé ; la seconde, expérimentale, a permis d'appliquer cet outil pour l'étude de molécules aimants (SMMs) et de monocouches de graphite (graphène). La partie dédiée au développement donne une description détaillée du spectromètre RPE-HF : le pont « quasi-optique » déjà existant est utilisé pour la propagation des micro-ondes (MW) et le signal RPE est enregistré par le détecteur superhétérodyne optimisé pour une fréquence de 283.2GHz, utilisé en remplacement du bolomètre valable uniquement pour des mesures multifréquences en mode continu. La conception et la construction d'un résonateur Fabry-Pérot (FP), nécessaire pour augmenter la puissance d'excitation MW, sont aussi décrites en détail ainsi que le porte-échantillon tournant nouvellement développé pour l'étude des monocristaux. Ces deux nouveaux systèmes ont ensuite été utilisés avec succès dans la partie expérimentale de cette thèse (deux chapitres). D'abord, une étude complète de molécules-aimants de tétrafer(III) a été réalisée. Après une étude sur poudre, celle sur monocristal réalisée avec le porte-échantillon tournant a permis d'obtenir des paramètres plus précis pour l'anisotropie magnétique des complexes, ce qui est nécessaire pour mieux comprendre les processus de relaxation. Le second chapitre expérimental est dédié au graphène (cristal 2D). Dans ce chapitre, la haute performance de la cavité Fabry-Pérot a permis la mise en évidence de graphène de qualité exceptionnelle caractérisé par une mobilité des porteurs de charge dépassant 10^7 cm^2/(V.s).

Fabry-Pérot (FP) filters are widely used in telecommunications, lasers and spectroscopy to measure the wavelengths of light. The properties of a FP filter depend on the wavelength and incident angle of the light source, the thickness of the etalon and the refractive index of the material between the reflecting surfaces. In previous studies, the nematic liquid crystal (NLC) is employed as the medium of FP filters because of its simple structure and ease of modulation. The directors of the NLC could be rotated by applying an electric field. Due to the birefringence of the NLC, the optical characteristics of the device are polarization dependent. Blue phase liquid crystal (BPLC) is the phase between cholesteric phase and isotropic phase. It¡¦s an optically isotropic material can function as an active index-tuning material adopted in a FP filter, and the characteristics of the BPLC-based FP filter are polarization independent. By applying an electric field, the Kerr effect can be induced due to the local reorientation of liquid crystals in BP structure, leading to the effective index change of BPLC and the transmission peak shifts. Furthermore, the effective index of BPLC approaches the ordinary index of host LCs under increasing electric fields. In addition, the BPLC using polymer network construction can be stabilized in room temperature and improves the convenience of the device. According to the experimental results, the tunability of the BPLC-based FP filter is about 1nm/V. The measured response time of the BPLC-based FP filter is 1ms.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail présente une caractérisation de la turbulence dans la région du Trapèze de la nébuleuse d’Orion. Les raies observées sont Hα, [OIII] et le doublet du [SII], ce dernier permettant aussi d’obtenir la densité électronique. Le traitement de données d’interférométrie de Fabry-Pérot permet d’obtenir une carte des vitesses radiales dans le gaz pour chaque raie. Une technique d’homogénéisation présentée par Lagrois & Joncas (2011) utilisant un filtre de type Zurflueh a permis de mettre en évidence les fluctuations de vitesse provenant de la turbulence. L’analyse statistique des vitesses à l’aide des fonctions d’autocorrélation et de structure ont permis d’obtenir l’exposant de Kolmogorov γ pour chacun des ions. En Hα et en [OIII], l’exposant (~ 1/2) est typique d’une turbulence supersonique avec ondes de choc tandis qu’en [SII], l’exposant (~ 1/3) est typique d’une turbulence subsonique sans choc. De plus, l’étude de l’histogramme des fluctuations de vitesse a permis de localiser des zones où on retrouve de l’intermittence dans la turbulence.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Cette thèse traite de lasers à fibre multilongueurs d'onde fabriqués en inscrivant des réseaux de Bragg superstructurés de type "Fabry-Perot distribué" dans une fibre photosensible codopée à l'erbium et à l'ytterbium. Ce type de laser multilongueur d'onde se distingue des autres approches proposées dans la littérature par sa simplicité : en plus du réseau de Bragg superstructuré inscrit à même la fibre de gain, seuls une diode laser de pompe et un coupleur d'injection de pompe sont requis pour produire un peigne formé de plusieurs raies laser monomodes espacées de 50 GHz ou de 100 GHz. Ces lasers multilongueurs d'onde pourraient éventuellement être utilisés pour certaines applications de tests et mesures dans le domaine des télécommunications optiques en plus d'avoir un potentiel pour l'interrogation de capteurs à fibre optique requérant des lasers à faible largeur de raie. Cette thèse comporte plusieurs volets. Premièrement, les lasers multilongueurs d'onde sont étudiés en utilisant un modèle théorique combinant un modèle de gain d'une fibre codopée à l'erbium et à l'ytterbium avec un modèle de réseau de Bragg utilisant la théorie des modes couplés. Cette modélisation a permis de démontrer que ces lasers sont en fait des cascades ultra-compactes de courtes cavités laser monomodes. Par la suite, nous présentons les détails de la fabrication des lasers. Nous démontrons que l'uniformité en puissance et en fréquence des lignes du laser est limitée principalement par l'uniformité du profil d'indice effectif moyen photoinscrit le long du réseau. Nous avons aussi effectué une caractérisation détaillée des fluctuations de puissance des lignes laser. Ces fluctuations sont non corrélées, ce qui peut être expliqué par le fait que les cavités laser correspondant à chacune des lignes sont spatialement réparties. En outre, nous avons montré qu'il est possible d'éteindre temporairement certaines lignes du laser au moyen de fils chauffants placés contre la fibre et ainsi obtenir un laser reconfigurable. Finalement, l'étude détaillée de la fabrication des réseaux de Bragg superstructurés a permis d'identifier qu'il était nécessaire de tenir compte de la dynamique de la diffusion du deuterium afin de décrire la croissance de réseaux de Bragg à fort changement d'indice.

Le présent travail est divisé en deux sections, chacune étant consacrée à une application particulière des structures de Fabry-Perot dans un domaine spécifique de l'optique moderne. La Section I traite du design de structures d'imagerie par superlentilles, qui servent essentiellement à la génération d'images de champ proche de structures dont les caractères sont plus petits que la demi-longueur d'onde, en utilisant des approches originales et performantes. Ces structures sont constituées de couches de matériaux très minces, dont l'épaisseur est de l'ordre de la dizaine de nanometres, et dont les interfaces font office de miroirs à réflectivité complexe de telle sorte qu'on peut les associer à une cascade de cavités Fabry-Perot. La théorie fondamentale des structures de super-lentilles, qu'elles soient constituées du cas idéal utilisant une couche de matériau d'indice négatif ou de métal, est exposée. Une méthode de design basée sur une étude modale de la super-lentille métallique ainsi qu'une approche de design numérique de super-lentille basée sur un modèle raffiné de la super-lentille qui inclut l'objet à imager sont ensuite proposées. Dans les deux cas, les designs obtenus se comparent avantageusement avec d'autres présentés dans la littérature. La Section II étudie le problème de la division de sauts de phase dans les réseaux de Bragg écrits à l'aide d'un masque de phase dans lequel les sauts de phase sont inscrits. Dans les réseaux comprenant un seul saut de phase de à mi-longueur qu'on appelle filtres Fabry-Perot (FP) basés sur réseaux, la division en deux du saut de phase se manifeste physiquement par l'écriture d'une section de réseau très petite entre chacun des deux demi-sauts de phase causant des erreurs d'asymétrie dans sa réponse spectrale. On modélise les filtres FP à saut de phase divisé comme une succession de trois miroirs à réflectivité complexe variant avec la longueur d'onde séparés par les deux demi-sauts de phase. On constate que pour des filtres FP longs de plus de quelques millimètres, l'effet de la division d'un saut de phase est négligeable.

Les résultats expérimentaux qui ont conduit à cette thèse se résument à l'observation d'un régime d'opération laser qui favorise une émission impulsionnell de son intensité optique au détriment d'une intensité continue. Le laser de type Fabry-Perot (FP) qui permet ces observations est basé sur un amplificateur à semi-conducteurs (SOA) formé de multiples puits quantiques qui affichent un comportement laser suite aux rétroactions optiques provenant des miroirs externes. Le régime d'opération impulsionnelle est qualifié de régime auto-pulsé par l'absence d'un absorbant saturable explicitement introduit dans la cavité laser. Le régime d'auto-pulsation se caract érise par un train d'impulsions stables ayant une fréquence de pulsation variable entre 2 GHz et 11 GHz. La longueur totale de la cavité laser étudiée varie entre 4 cm et 44 cm de sorte que la fréquence de pulsation est généralement un multiple entier de l'inverse du t emps de parcours dans la cavité. La durée des impulsions, parfois asymétriques, varie entre 30 ps et 200 ps. L'auto-pulsation s'observe pour des courants d'injection entre 1.4 I th et 11.1 I th , où I th est le courant seuil. Le filtrage optique à l'intérieur de la cavité a peu d 'influence sur la dynamique temporelle des impulsions. Le courant d'injection, la qualité de l'alignement optique des miroirs externes et la variation locale (sur quelques centimètres) de la distance miroir-SOA sont les trois principaux paramètres qui dictent la dynamique laser. La modélisation numérique du SOA ainsi que du laser FP en cavité externe constit ue l'aut re centre d 'intérêt de cette thèse. Le modèle est fondé sur la résolut ion d'équations différentielles spatio-temporelles qui couplent les champs électriques aux porteurs du SOA. Outre les résultats de la modélisation du SOA, la modélisation du dispositif laser FP en cavité externe reçoit une attention particulière. Les résultats mont rent une opération laser en régime d'auto-pulsation pour une plage de courant étendue. Les impulsions qui composent le train d 'impulsions se caractérisent par des impulsions d'une durée approximative de 10 ps ayant une sous-structure formée d'impulsions rapides aux amplitudes crêtes variables.