Abstract We have extended the spectral range of the current PL-upconversion apparatus to be operated in infrared. Using the IRPL-upconversion¡Awe study the behavior of carrier cooling of InN film and the relationship between the spacer and lifetime in InAs/GaAs stacked QDs . We excited InN film of the band gap of 0.74eV with ultrafast Ti:sapphire laser of the wavelength 404nm. We found the phonon emission time by hot carriers of InN is 14fs. The hot carriers release their excess energy to the lattice of 35K with a timescale of 100ps. We observed in InAs/GaAs QDs that the shorter life time for samples with thin spacer is due to tunneling effect.

Carrier dynamics of mullti-stacked quantum dots (MSQDs) have been studied by means of time-integrated and time-resolved photoluminescence (PL). The MSQD with different spacer thickness of 10, 15, 20 and 30 nm were grown by molecular beam epitaxy. Time-integrated PL exhibit red shift as spacer thickness increases. The red shift originated from the vertical coupling relaxes the strain in the MSQDs, leading to a decrease in the PL peak energy. From time-resolved PL, the MSQD with spacer thickness increased reveals the shorter lifetime of PL peak among samples studies. We attribute the maximum of lifetime to a better vertical alignment. We report on a measurement of the rise and decay of luminescence intensity in the MSQDs excited at 1.54 eV (808 nm) and 3.09 eV (404 nm). The results show a slow rise time of electrons from the L to the £F valley for high photoexcitation energies. The decay in luminescence is longest with photoexcitation at 3.09 eV, we demonstrate the importance of the penetration depth and carriers tunneling. In addition, the MSQDs strongly depends of on the carrier injection. The rise times decrease with increasing excitation density. The properties are characteristic features of Auger processes.

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Nous étudions, par spectroscopie optique à l'échelle de la boîte quantique unique InAs/GaAs,la décohérence de l'exciton neutre dans une boîte, sa structure fine et la relaxation de sonspin.Nous montrons que la cohérence est limitée intrinsèquement par un couplage non-perturbatifaux phonons acoustiques, et extrinsèquement par l'existence d'un environnementélectrostatique fluctuant autour des boîtes.Nous observons que la structure fine dépend de la densité locale de boîtes, qui affecte leurgéométrie et leur état de contrainte, et mettons à jour des boîtes originales émettant une lumière très polarisée.Nous étudions la relaxation du spin excitonique en mesurant le taux de polarisation del'émission. Sur un ensemble de boîtes, nous observons un temps de relaxation d'une dizainede ns à 10 K et montrons que la dynamique de cette relaxation est sensible à l'environnementdes boîtes. Sur boîte unique, nous montrons que le spin peut relaxer très rapidement (en 100ps), même à 10 K.

La généralisation des communications numériques (téléphonie mobile, courrier électronique, commerce électronique...) rend nécessaire la mise au point de systèmes dont la confidentialité des informations est garantie de manière absolue. L'utilisation des lois de la mécanique quantique comme moyen de cryptage répond à ce critère. Bien que les physiciens théoriciens aient commencé à réfléchir sur ce type de cryptage depuis les années 1970, les dispositifs effectivement utilisables et industrialisables à grande échelle ne sont pas encore disponibles. Parmi les dispositifs qu’il convient de développer et maîtriser, les sources de lumières capables de générer des photons à l’unité tiennent une place centrale. Une des principales difficultés rencontrées dans leur mise au point réside dans la nécessité d’atteindre une efficacité de collection de la lumière émise proche de l’unité. La solution généralement proposée consiste à maitriser leur environnement électromagnétique à l'aide de résonateurs optiques miniaturisés à l’échelle de la longueur d’onde. On peut ainsi bénéficier d'effets d’électrodynamique quantique, tel que l'effet Purcell, pour améliorer, par exemple, la dynamique et/ou la directivité d'émission des photons. La réalisation pratique de sources de photons n'a été rendue possible que par les progrès des nanotechnologies. L'utilisation de la technologie des semi-conducteurs est la voie prometteuse choisie dans ce travail, dans l'objectif de développer des composants miniaturisés et facilement intégrables, à la base d’une nouvelle génération de résonateurs optiques de taille ultime. Dans ce travail de thèse, nous proposons de développer une source de photons uniques utilisant des boites quantiques InAs -comme émetteurs uniques- incluses dans une membrane GaAs dans laquelle on réalise un résonateur optique consistant en une cavité à cristal photonique membranaire. On exploite la technologie des cristaux photoniques afin d’utiliser un unique mode optique résonant, dit mode de Bloch lent non dégénéré, opérant au-dessus de la ligne de lumière. On exploite diverses méthodes numériques pour la conception et la simulation du comportement électromagnétique des dispositifs. Nous effectuons ainsi une ingénierie fine de modes optiques permettant : (1) d'optimiser le facteur de Purcell dans une hétérostructure photonique(puits photonique analogue des puits quantiques électroniques). Nous montrons que le report de cette cavité sur un miroir de Bragg entraîne le doublement du taux de collection des photons, ainsi que de la dynamique d’émission; (2) de contrôler la directivité d'émission du mode pour améliorer l’efficacité d'extraction /collection des photons. Une étude détaillée de l’ingénierie du diagramme de rayonnement est présentée permettant d’appréhender la physique et de prévoir les caractéristiques10de l’émission du mode. Nous montrons, notamment, que la présence du miroir de Bragg peut fortement modifier la directivité d’émission. Les développements technologiques effectués en vue d'obtenir des résonateurs photoniques de hautes qualités sont également exposés. A la longueur d’onde d’émission de 900nm, choisie pour une adaptation optimale aux caractéristiques des détecteurs, la période du cristal photonique nécessaire est de l’ordre de quelques centaines de nm. Les outils et les paramètres de technologie de fabrication (par exemple, calibration de l’épaisseur du masque dur et des paramètres d’exposition de la résine par lithographie électronique) sont exposés en détail. / The current demand of digital communications (mobile phones, email, e-commerce ...) requires the development of systems which can guarantee full confidentiality. The use of quantum mechanics laws as a way of encryption is considered as an efficient way to meet confidentiality requirements. While physicists have begun to think about this type of encryption since the 1970s, the practical devices with large scale manufacturability are not yet available. Among devices to be developed, light sources capable of generating photons per unit are the most promising. One of the main difficulties encountered in their development is the need to achieve a collection efficiency of the emitted light close to unity. The solution usually proposed is to control their electromagnetic environment using optical resonators miniaturized at the wavelength scale. Thus, we can benefit from quantum electrodynamics effects, as the Purcell effect, in order to improve for example the dynamics and/or the directivity of the emitted photons. The practical realization of photon sources has been made possible by advances in nanotechnology. The use of semiconductor technology is the promising way chosen in this work, in view of developing miniaturized and easily integrated components to lay foundations for a new generation of ultimate-size optical resonators. In this thesis, we propose to develop a single photon source using InAs/GaAs quantum dots -as single emitters - inserted in a GaAs membrane. The quantum dots are coupled to an optical resonator consisting in a photonic crystal cavity formed in the GaAs membrane. Use of the photonic crystal approach allows for the generation of a single-resonant-optical mode so called non degenerated slow Bloch mode, operating above the light line, hence providing efficient communication with free space. We employ various numerical methods for designing and simulating the electromagnetic behaviours of the devices. Thus, we perform a fine engineering of the optical modes in order to:(1) optimize the Purcell factor in a photonic heterostructure (where photonics wells are equivalent to electronic quantum wells). We show that the positioning of a Bragg mirror above the cavity results in a two-fold increase of the collection efficiency of photons, as well as of their emission dynamics;(2) control the directivity of the emission diagram, thus improving the efficiency of extraction/collection of photons. A detailed engineering study of the radiation pattern is presented in12order to predict the features of the emission diagram. We show in particular that the presence of the Bragg mirror may alter the directivity of the emission if its location is not properly optimized. Technological developments meant to result in high quality photonic resonators are described. A wavelength of 900nm of the emission is chosen for an optimal matching to the detector characteristics, which requires a period of the photonic crystal in the range of a few hundreds of nm. The tools and technological parameters of manufacturing (eg, calibration of the thickness of hard mask and exposure parameters of the resist by electron beam lithography) are detailed.

Les boîtes quantiques sont des sources de photons uniques prometteuses pour les réseaux d’information quantique, qui peuvent être intégrées dans des circuits photoniques et s’appuyer sur des technologies de semi-conducteur éprouvées. Dans ce contexte, ce travail se concentre sur les propriétés d’indiscernabilité des photons émis par une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante. Nous utilisons une configuration particulière où les boîtes sont insérées dans une microcavité planaire permettant de s’affranchir du fond de diffusion parasite du laser d’excitation et d’améliorer la collection du signal d’émission. Nous pouvons ainsi explorer un régime de très basse puissance, où les photons d’excitation sont diffusés élastiquement sur la transition fondamentale de la boîte quantique (régime de diffusion Rayleigh résonnante). Dans ce régime, la cohérence du laser d’excitation est transmise aux photons émis, faisant des boîtes quantiques une source de photons uniques avec une cohérence extrêmement longue.Les propriétés d’indiscernabilité sont étudiées en utilisant les interférences à deux photons (coalescence) dans un interféromètre de Hong–Ou–Mandel. Une étude expérimentale complète de l’indiscernabilité est présentée en fonction de la puissance d’excitation ainsi que du temps de cohérence du laser d’excitation. Elle montre en particulier l’effet de la diffusion élastique dans la limite de basse puissance d’excitation. Il apparaît qu’une nouvelle caractéristique quantitative doit être introduite afin d’estimer l’indiscernabilité en tant que phénomène temporel, un aspect particulièrement important lorsque les émetteurs sont des sources continues de photons. / Quantum dots are good candidates as single photon emitters for quantum information networks, facilitating their integration in photonic circuits based on well known semiconductor technology. In this context, this work focuses on the indistinguishability of the photons emitted by semiconductor quantum dots excited resonantly. We use a peculiar configuration where the quantumdots are embedded in a planar microcavity, allowing for better excitation and collection efficiencies. We are then able to investigate very low excitation power regimes, where the photons are elastically scattered by the fundamental transition of the quantum dot (Resonant Rayleigh Scattering). In this regime, the coherence of the excitation laser is imprinted on the emitted photons, making the quantum dot a source of single photons with a very long coherence.The indistinguishability is investigated by using a Hong–Ou–Mandel interferometer to perform two-photon interference. We carry out a comprehensive experimental study of the excitation power dependence of the indistinguishability as well as its dependence on the excitation laser coherence, which shows the important role of elastic scattering in the low excitation power limit. It appears that a new figure of merit needs to be introduced to assess the indistinguishability as a temporal phenomenon, an aspect which is particularly relevant when dealing with continuous-wave excitation.

Cette thèse a pour sujet la diffusion spectrale dans les boîtes quantiques. Engendrée par les fluctuations de l'environnement électrostatique, elle affecte les spectres d'émission de ces boîtes. Notre étude s'appuie sur l'analyse de l'évolution en température et en puissance de pompage des spectres de photoluminescence, obtenus par spectrométrie par transformée de Fourier. Nous constatons que la diffusion spectrale est généralement dans un régime de rétrécissement par le mouvement et peut sortir de ce régime pour une augmentation de température ou de puissance. Par cette étude, nous sondons les mécanismes à l'origine des fluctuations de l'environnement électrostatique. Ceci nous permet de proposer un modèle microscopique pour les sources de la diffusion spectrale. A l'aide de cette modélisation, nous avons pu imaginer un protocole de contrôle et d'amplification du rétrécissement par le mouvement en utilisant un champ électrique. Cette méthode est alors validée par nos résultats.

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'émission résonnante de boîtes quantiques uniques InAs/GaAs en microcavité planaire. Un montage original d'excitation par fibre optique est mis en oeuvre afin de découpler spatialement l'excitation résonnante de l'émission des boîtes quantiques et de s'affranchir de la diffusion parasite du laser superposée au signal d'émission résonnante. Des études en puissance d'excitation et les mesures des fonctions de corrélation du premier et deuxième ordre confirment qu'une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante peut être assimilée à un véritable système à deux niveaux. Cependant, l'environnement électrostatique lié aux impuretés non-intentionnelles de l'échantillon influence fortement l'émission résonnante des boîtes quantiques. Il apparaît pour la quasi-totalité des boîtes quantiques une complète inhibition de l'émission résonnante par blocage de Coulomb. L'utilisation d'un laser non-résonant supplémentaire de très faible puissance permet de résoudre ce problème grâce à un contrôle optique très efficace de l'émission résonnante. En effet, en présence de ce " gate " optique, l'émission résonnante est débloquée et les propriétés d'un système à deux niveaux sont spectaculairement restituées. Les effets du " gate " optique sur l'émission résonnante, le décalage spectral de l'émission résonnante et la statistique des photons émis sont parfaitement expliqués de manière quantitative par un modèle de population aléatoire que nous avons développé au cours de cette thèse.

Optical spin injection in InAs/GaAs quantum dots (QDs) structures under cryogenic temperature has been investigated in this work using continuous-wave optical orientation spectroscopy. Circularly polarized luminescence from trions in the QDs was used as a measure for the degree of spin polarization of the carriers in the QD ground states. The efficiency of spin conservation of the carriers during the injection process into the QDs and also the influence of the nuclear spins in the QDs were studied both under zero and external magnetic field. It was shown in zero magnetic field that the spin states were less conserved during the injection process for correlated excitons and hot free carriers. While under the external magnetic field, measurements were done in Faraday configuration. Confined electron motion yielding the quantized Landau levels in the InGaAs wetting layer (WL) and lifting of the Landau level spin degeneracy was observed. Also possible spin thermalization in the InGaAs WL during spin injection process was found. Finally, the quench of hyperfine induced spin relaxation by dynamic nuclear polarization (DNP) in the QDs was discovered and believed to be a stronger effect under weak/zero magnetic field.

Ce travail de thèse porte sur l'étude par spectrophotométrie de phénomènes de couplage entre un émetteur photonique discret et une cavité optique dont les propriétés sont adaptées à l'émetteur. Nous nous sommes intéressés à l'interaction de boîtes quantiques semiconductrices InAs/GaAs avec des microcavités optiques dont la géométrie originale diffère selon les propriétés dont on veut tirer partie. Ainsi, nous partirons de la fabrication de ces systèmes par épitaxie par jets moléculaires, pour nous focaliser sur trois grands types de microcavités, dont nous décrirons à la fois les étapes de fabrication, mais aussi les études optiques réalisées par spectrophotométrie Infra-rouge. Ainsi, les microdisques reportés sur saphir par collage moléculaire ont montré un important potentiel pour la réalisation de microlasers, grâce à de très bonnes propriétés de dissipation thermique. Sur les micropiliers à miroirs de Bragg, nous avons expérimentalement montré pour la première fois la co-existence de modes de galerie et de modes de micropiliers, ainsi que la possibilité d'exploiter l'effet laser sur ces modes, ce qui ouvre de nouvelles perspectives en termes de systèmes photoniques. Nous avons également développé une technique originale et reproductible de métallisation à l'or des flancs et démontré son innocuité sur les propriétés optiques de ces modes, ce qui permet d'envisager son application à d'autres dispositifs. Enfin, nous terminons par la fabrication et l'étude de nano-fils photoniques à boîtes quantiques uniques, dont les capacités prometteuses permettent de conclure à une concurrence sérieuse vis-à-vis des micropiliers en tant que source de photon unique.