La consommation d’énergie liée aux technologies de l’information augmente trèsrapidement et dans la mesure où la société a besoin d’être toujours plus connectée tout ens’appuyant sur des solutions durables, les technologies actuelles ne suffisent plus. La photoniqueintégrée s’impose dès lors comme une alternative à l’électronique pour réaliser du traitementdu signal économe en énergie. Au cours de cette thèse, j’ai étudié des structures sub-longueurd’onde en semiconducteur, les cristaux photoniques, qui présentent des propriétés non linéairesimpressionnantes. Plus précisément, le confinement fort et la propagation en lumière lente permettentun traitement sur puce de signal ultra-rapide tout optique, soit à partir de mélange àquatre ondes ou d’auto-modulation de phase. L’originalité est l’utilisation de nouveaux matériauxsemi-conducteurs ayant moins d’absorption non linéaires et par porteurs libres, effets qui limitentla pleine exploitation des effets non linéaires dans les structures photoniques en Silicium. Dansma thèse, des semiconducteurs III-V ont été utilisés pour développer des guides et des cavitéscristal photonique de grande qualité qui sont en mesure de supporter des densités de puissanceoptiques extrêmement élevées ainsi que de grands niveaux de puissance moyenne. J’ai amélioré laconductivité thermique des guides d’ondes grâce à l’intégration hétérogène de membranes GaInPavec du dioxyde de silicium. Cette plateforme permettra à terme de démontrer de l’amplificationsensible à la phase dans le régime continu que j’ai déjà démontré dans le régime pulsé en utilisant des membranes suspendues en GaInP. En parallèle, j’ai démontré des cristaux photoniques de grande qualité dans du Gallium phosphure, qui est un matériau très prometteur en raison de lagrande bande interdite et de la très bonne conductivité thermique. Les résultats préliminaires ontpermis la réalisation d’un régime non linéaire intense (mini-peigne de fréquence, compression etfission de soliton ...). / The energy consumption of the whole ICT ecosystem is growing at a fast paceand in a global context of the search for an ever more connected yet sustainable society, a technologicalbreakthrough is desired. Here, integrated nonlinear photonics will help by providingnovel possibilities for energy efficient signal processing. In this PhD thesis, I have been investigatingsub-wavelength semiconductor structures, particularly photonic crystals, which have shownremarkable nonlinear properties. More specifically the strong confinement and slow light propagationenables on-chip ultra-fast all-optical signal processing, either based on four-wave-mixingor self-phase modulation. The main point here is the use of novel semiconductor materials withimproved nonlinear properties with respect to Silicon. In fact, it has now been acknowledgedthat the nonlinear and free-carriers absorption in Silicon integrated photonic structures is anissue hindering the full exploitation of nonlinear effects. In my thesis, wide-gap III-V semiconductorshave been used to develop high quality photonic crystal waveguides and cavities whichare able to sustain extremely high optical power densities as well as large average power levels.I have demonstrated PhC waveguides with much improved thermal conductivity through heterogeneousintegration of GaInP membranes with silicon dioxide. This will allow continuous wave phase-sensitive amplification, which I already demonstrated in the pulsed regime using GaInPself-suspended membranes. In parallel, I have demonstrated high quality PhC in Gallium Phosphide,which is a very promising material because of the large bandgap and the very good thermalconductivity. Preliminar results demonstrate the achievement of extremely large nonlinear regime(mini-comb, soliton compression and fission ...).

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Ce manuscrit est consacré à la physique des polaritons dans deux matériaux semiconducteurs à grand gap : ZnO et GaN. Les paramètres polaritoniques de ces matériaux ont été déterminés avec précision grâce à une étude combinant différentes techniques spectroscopiques linéaires et non-linéaires (réflectivité continue, autocorrélation, photoluminescence et mélange à quatre ondes dégénérées). L’interprétation de ces résultats conduit à une meilleure compréhension des processus d’interaction au sein du semiconducteur : le rôle important des interactions polariton-phonon LO dans l’élargissement polaritonique a notamment pu être mis en évidence. Ce travail effectué sur des échantillons massifs est indispensable pour mener au mieux l’étude de l’effet laser à polaritons dans des microcavités présentée dans la seconde partie de ce manuscrit. Pour cette étude, deux microcavités massives semblables, une à base de ZnO l’autre de GaN, ont été réalisées. Les qualités photoniques de ces structures sont à l’état de l’art : elles présentent un bon facteur de qualité (Q ≈ 1000) et un faible désordre photonique. Le régime de couplage fort ainsi que l’effet laser à polaritons sont observés jusqu'à température ambiante. Enfin, l’établissement de diagrammes de phases permet de mettre en exergue le rôle important des phonons LO dans l’abaissement du seuil laser. / This manuscript is devoted to the physics of polaritons in two wide band gap semiconductor : ZnO and GaN. The polaritonic parameters of these materials have been accurately determined through a study which combines linear and non-linear spectroscopies (continuous reflectivity, autocorrelation, photoluminescence and degenerate four-wave mixing). The interpretation of these results lead to a better understanding of the interaction processes in the semiconductor : the important role played by the polariton-LO phonon interactions in the polaritonic damping is highlighted and particularly for ZnO. This preliminary work on bulk samples is essential for a suitable study of polariton lasing in microcavities like it is presented in the second part of this manuscript. For this study, two similar microcavities, one based on ZnO and another on GaN. The photonic properties of these structures are at the state of the art : they have a good quality factor (Q ≈ 1,000) and have a low photon disorder. The strong coupling regime and the polariton lasing are observed to room temperature. Finally, the establishment of phase diagrams allows to highlight the important role of LO phonons in reduction of the laser threshold.

Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes. / In this thesis, an experiment of correlated atom pairs production through four-wave mixing in an optical lattice is described. The twin atoms are analogous to the twin photons produced by parametric down conversion, used in many fondamental quantum optics experiments, and applied in interferometry and quantum information. Because of the dispersion relation, phase matching can be obtained when atoms move in a periodic potential. Four-wave mixing then spontaneously occurs and is a special case of dynamical instability. We performed the experiment with a degenerate metastable helium gas, obtained in a very elongated optical trap. A moving optical lattice, whose characterisation can also be found in the manuscript, was applied on the atoms. The resulting four-wave mixing was studied using a 3D-resolved single atom detector. The phase-matching conditions of this process and the populated modes were investigated. We showed that with our method atoms are preferentially scattered into two narrow classes with tunable velocities and populations. This versatility should be an advantage when using the pairs in future experiments. For each of these velocity classes, we mesured a Hanbury Brown and Twiss local correlation. Furthermore, we demonstrated relative number squeezing between both classes. These two simultaneous effects indicate the non-classicality of the generated pairs, which can be used in quantum atom optics experiments, for example to observe the Hong-Ou-Mandel effect with atoms.

Cette thèse décrit l'observation expérimentale de l'effet Hong-Ou-Mandel avec une sourceatomique ultra-froide. L’expérience originale réalisée en 1987 par C. K. Hong, Z. Y. Ou et L. Mandel illustre de façon simple une interférence à deux particules explicable uniquement par la mécanique quantique : deux particules bosoniques et indiscernables, arrivant chacune sur une face d'entrée différente d'une lame semi-réfléchissante ressortent ensemble. Cet effet se traduit par une réduction du taux de détection en coïncidence entre les deux voies de sortie quand les particules arrivent simultanément sur la lame. Cette expérience fut originalement réalisée avec des photons et nous rapportons ici la première mise en oeuvre expérimentale avec des particules massives se propageant dans l’espace libre.Après présentation des différentes techniques nécessaires à sa réalisation, nous décrivons cette expérience et analysons les résultats obtenus. En particulier, la réduction du taux de coïncidence est suffisamment forte pour exclure toute interprétation classique ; l'observation de cet effet constitue une brique fondamentale dans le domaine de l’information quantique atomique. / In this thesis, we report the first realisation of the Hong–Ou–Mandel experiment with massive particles in momentum space. This milestone experiment was originally performed in quantum optics: two photons arriving simultaneously at the input ports of a 50:50 beam-splitter always emerge together in one of the output ports. The effect leads to a reduction of coincidence counts which translates into a dip when particles are indistinguishable. We performed the experiment with metastable helium atoms where the specificities of the Micro-Channel-Plate detector allows one to recover the momentum vector of each individual atom.After listing the necessary tools to perform this experiment with atoms, the experimental sequence is discussed and the results are presented. In particular we measured a coincidence count reduction that cannot be explained through any simple classical model. This corresponds to the signature of a two-particle interference, and confirms that our atomic pair source produces beams which have highly correlated populations and are well mode matched. This opens the prospect of testing Bell’s inequalities involving mechanical observables of massive particles, such as momentum, using methods inspired by quantum optics. It also demonstrates a new way to produce and benchmark twin-atom pairs that may be of interest for quantum information processing.

Optical packet switching (OPS) is one of the more promising solutions for meeting the diverse needs of broadband networking applications of the future. By virtue of its small data traffic granularity as well as its nanoseconds switching speed, OPS can be used to provide connection-oriented or connectionless services for different groups of users with very different networking requirements. The optical buffer and the switch fabric are two of the most important components in an OPS router. In this research, novel designs for the optical buffer and switch fabric are proposed and experimentally demonstrated. In particular, an optical buffer that is based on a folded-path delay-line tree architecture will be discussed. This buffer is the most compact non-recirculating optical delay line buffer to date, and it uses an array of high-speed ON-OFF optical reflectors to dynamically reconfigure its delay within several nanoseconds. A major part of this research is devoted to the design and performance optimization of these high-speed reflectors. Simulations and measurements are used to compare different reflector designs as well as to determine their optimal operating conditions. Another important component in the OPS router is the switch fabric, and it is used to perform space switching for the optical packets. Optical switch fabrics are used to overcome the limitations imposed by conventional electronic switch fabrics: high power consumption and dependency on the modulation format and bit-rate of the signals. Currently, only those fabrics that are based on the broadcast-and-select architecture can provide truly non-blocking multicast services to all input ports. However, a major drawback of these fabrics is that they are implemented using a large number of optical gates based on semiconductor optical amplifiers (SOA). This results in large component count and high energy consumption. In this research, a new multicast-capable switch fabric which does not require any SOA gates is proposed. This fabric relies on a passive all-optical gate that is based on the Four-wave mixing (FWM) wavelength conversion process in a highly-nonlinear fiber. By using this new switch architecture, a significant reduction in component count can be expected.

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This thesis presents the investigations of Rubidium atoms in magneto-optical traps and triply charged Thorium ions in electrodynamic traps for future advances in long-distance quantum telecommunication, next generation clocks, and fundamental tests of current physical theories. Experimental realizations of two core building blocks of a quantum repeater are described: a multiplexed quantum memory and a telecom interface for long-lived quantum memories. A color change of single-photon level light fields by several hundred nanometers in an optically thick cold gas is demonstrated, while preserving quantum entanglement with a remotely stored matter excitation. These are essential elements for long-distance quantum telecommunication, fundamental tests of quantum mechanics, and applications in secure communication and computation. The first trapping and laser cooling of Thorium-229 ions are described. Thorium-229 nuclear electric quadrupole moment is revealed by hyperfine spectroscopy of triply charged Thorium-229 ions. A system to search for the isomer nuclear transition in Thorium-229 is developed and tested with the excitation of a forbidden electronic transition at 717 nm. Direct excitation of the nuclear transition with laser light would allow for an extremely accurate clock and a sensitive test bed for variations of fundamental physical constants, including the fine structure constant.

We develop a robust and realistic mechanism for the generation of indistinguishable single-photon (SP) pulses with identical frequency and polarization. They are produced on demand from a coupled double-Raman atom-cavity system driven by a sequence of laser pump pulses. This scheme features a high efficiency, the ability to produce a sequence of narrow-band SP pulses with a delay determined only by the pump repetition rate, and simplicity of the system free from complications such as repumping process and environmental dephasing. We propose and analyze a simple scheme of parametric frequency conversion for optical quantum information in cold atomic ensembles. Its remarkable properties are minimal losses and distortion of the pulse shape, and the persistence of quantum coherence and entanglement. Efficient conversion of frequency between different spectral regions is shown. A method for the generation of frequency-entangled single photon states is discussed. We suggest a robust and simple mechanism for the coherent excitation of molecules or atoms to a superposition of pre-selected states by a train of femtosecond laser pulses, combined with narrow-band coupling field. The theory of quantum beatings in the generation of ultra-violet radiation via a four wave mixing in pump-probe experiments is developed. The results are in good agreement with experimental data observed in Rb vapor when the laser phase fluctuations are significant.

Στην εργασία αυτή, μελετάμε, τόσο με αναλυτικό όσο και με υπολογιστικό τρόπο, γραμμικά και μη γραμμικά οπτικά φαινόμενα σε συστήματα ημιαγώγιμων κβαντικών πηγαδιών GaAs/AlGaAs δύο ενεργειακών υποζωνών, όπου επάγονται διαϋποζωνικές μεταβάσεις, υπό την επίδραση ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μια θεωρητική περιγραφή των ημιαγώγιμων ετεροεπαφών. Ακολουθούν βασικά στοιχεία της στατιστικής και κβαντικής μηχανικής. Στο δεύτερο κεφάλαιο, εξάγονται οι γενικευμένες εξισώσεις Bloch για τις διαϋποζωνικές μεταβάσεις σε ημιαγώγιμα κβαντικά πηγάδια, στις οποίες ενυπάρχουν όροι που υπεισάγουν τις μη αμελητέες, λόγω εμπλουτισμού, αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων. Οι εξισώσεις αυτές αποτελούν τη βάση της μελέτης που ακολουθεί. Στα δύο επόμενα κεφάλαια, μελετούμε την αλληλεπίδραση μιας δομής διπλών συζευγμένων ημιαγώγιμων κβαντικών πηγαδιών με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μεταβλητής γωνιακής συχνότητας, καταλήγουμε σε αναλυτικές εκφράσεις για τη οπτική επιδεκτικότητα πρώτης, τρίτης και πέμπτης τάξεως και αναλύουμε τα φάσματα διαφόρων οπτικών φαινομένων, ως προς τη γωνιακή συχνότητα του εξωτερικού πεδίου, για διάφορες τιμές της επιφανειακής ηλεκτρονιακής πυκνότητας της κβαντικής δομής. Επιπλέον, προσδιορίζουμε τις περιοχές όπου λαμβάνουν τιμή οι διάφορες παράμετροι, ούτος ώστε στο σύστημά μας να αναδυθεί η οπτική διστάθεια. Στα τρία τελευταία κεφάλαια, θεωρούμε ότι η ημιαγώγιμη κβαντική δομή αλληλεπιδρά ταυτόχρονα με ένα ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (πεδίο άντλησης) καθορισμένης γωνιακής συχνότητας και ένα ασθενές (πεδίο ανίχνευσης) μεταβλητής συχνότητας και μελετούμε τα φάσματα γραμμικών και μη γραμμικών φαινομένων του πεδίου ανίχνευσης (μίξη τεσσάρων κυμάτων, απορρόφηση, διασπορά, μη γραμμικό οπτικό φαινόμενο Kerr), σε στάσιμη κατάσταση, καθώς και τη χρονική εξέλιξη αυτών. Περιγράφουμε τα φαινόμενα τόσο με αναλυτικές εκφράσεις που εξάγουμε, όσο και με την αριθμητική επίλυση των μη-γραμμικών διαφορικών εξισώσεων του πίνακα πυκνότητας που διέπουν τη δυναμική. Στη μελέτη των φαινομένων αυτών, εξετάζεται η επίδραση της επιφανειακής ηλεκτρονιακής πυκνότητας της κβαντικής δομής στις οπτικές ιδιότητες των κβαντικών πηγαδιών. / In this PhD thesis, we study analytically and numerically linear and nonlinear optical phenomena in intersubband transitions of a symmetric GaAs/AlGaAs double quantum well structure, with two energy subbands. In the first chapter, a theoretical description of the semiconductor heterostructures is presented. This is accompanied with a brief analysis of the basic elements of statistical and quantum mechanics follows, as far as this kind of structures is concerned. In the second chapter, we derive the generalised optical Bloch equations in intersubband transitions of semiconductor quantum well structures, which constitute the basis of the analysis that follows. These equations contain terms which owe their presence to the electron-electron interactions, because the quantum structure is doped with electron carriers. In the two following chapters, we consider the interaction of intersubband transitions of a double quantum well structure with an electromagnetic field of varying frequency, we derive analytical expressions for the first, third and fifth order optical susceptibility and, at last, we analyze the corresponding spectra, with respect to the frequency of the external field, for different values of electron sheet density of the structure. Furthermore, we identify the areas of values of the parameters used, in which the phenomenon of optical bistability arises. In the last three chapters, we consider the two quantum well subbands to be coupled to a strong pump electromagnetic field with fixed frequency and a weak probe electromagnetic field of varying frequency and study the spectra of various linear and nonlinear optical phenomena, which are due to the existence of the probe field. More specifically, we examine the spectra of four-wave mixing, absorption, dispersion and the nonlinear optical Kerr effect of the probe field as they evolve in time and in the steady state. Both analytical expressions are derived and numerical results are presented by solving the nonlinear differential density matrix equations that govern the dynamics of the system. In the study of the different kinds of optical phenomena, the influence of the electron sheet density on the spectral shapes is carefully examined.