This thesis focus on the epitaxial growth and optical characterization of diluted InAs/InP(001) quantum dots for the realisation of new nanophotonic devices emitting at 1.55 [micro]m. The structural and optical properties of the quantum islands are correlated to different growth parameters of a solid source molecular beam epitaxy system. Our results highlight the influence of InAs surface reconstructions on the island shape. Dots rather than elongated dashes usually observed can be directly formed by adequate growth conditions. Dash to dot shape transition is also demonstrated by post-growth treatments. Low dot densities are obtained for small InAs deposited thickness. Their emission wavelength is easily tuned to 1.55 [micro]m using the"double cap" procedure for the growth of the InP capping layer. Optical properties of such single InAs/InP quantum dots are then evaluated. Micro-photoluminescence studies reveal sharp and well separated emission lines near 1.55 [micro]m from single dots confirming their atom-like properties. Last, we propose for the first time a high spatial resolution method to study the carrier transport in the vicinity of a single quantum dot using a low-voltage cathodoluminescence technique. A direct measurement of the carrier diffusion length before capture into one dot has been obtained. These results open the way to the integration of these single dots into optical micro-cavities for the realisation of quantum light sources at 1.55 [micro]m.

Ce travail porte sur une étude des propriétés électroniques des boîtes quantiques InAs/InP, qui est un système très prometteur pour les télécommunications. Ces nanoparticules sont étudiées pour différentes tailles, densité et dopage. Dans le premier chapitre, nous décrivons l’intérêt du système InAs/InP pour les applications optoélectroniques. Nous présentons la technique de croissance et quelques exemples d’applications de ces boîtes quantiques. Nous donnons une description générale complète des processus d’émission susceptible d’exister dans ces structures. Dans le deuxième chapitre, nous présentons les méthodologies de caractérisation électrique mises en jeu, en insistant sur la complémentarité de deux techniques d’analyse : la spectroscopie transitoire des défauts profonds et la mesure C(V). Dans le troisième chapitre, nous étudions ces boîtes quantiques avec la technique C(V) pour aboutir à une analyse qualitative et quantitative des profils N(W) des échantillons. Une étude de ce profil en fonction de la température nous permet de déterminer les types d’émission qui dominent dans nos structures. L’effet du fort dopage de la couche matrice, ainsi que la densité de boîtes est discuté. Dans le quatrième chapitre, une étude DLTS menée sur l’ensemble des échantillons disponibles montre plusieurs défauts reliés au contrôle de la croissance et de la qualité des interfaces. En outre, une étude plus approfondie nous permet d’extraire la réponse électrique des boîtes quantiques ainsi que leurs états électroniques s et p existants. / This work deals with a study of the electronic properties of InAs / InP quantum dots, which is a very promising material system for telecommunications. These nanoparticles are studied for different sizes, density and doping. In the first chapter, we describe the interest of the InAs / InP system for optoelectronic applications. As a result we present the growth technique and some examples of applications of these quantum dots. In addition, we present a description of the emission process may exist in these structures. In the second chapter, we present the electrical characterization methodologies: the Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) and the C (V) measurement. In the third chapter, we study the quantum dots to achieve a qualitative and quantitative analysis of profiles N (W) samples. A study of the profile as a function of temperature gives an overview of the types of emission that dominate in our structures. The effect of heavy doping of the matrix layer and of density of dots is discussed. In the fourth chapter, a DLTS study of all samples shows several defects related to growth and interface quality. In addition, further study allows us to extract the s and p electronical state response of quantum dot.

Ce travail porte sur la croissance épitaxiale et la caractérisation optique de boîtes quantiques d’InAs/InP(001) en faible densité en vue de la réalisation de nouveaux composants nanophotoniques émettant à 1,55 µm. Les propriétés structurales et optiques des îlots ont été corrélés pour différents paramètres de croissance d’un système d’épitaxie par jet moléculaire à sources solides. Nos résultats soulignent l’influence des reconstructions de surface d’InAs sur la forme des îlots. Des boîtes, plutôt que des bâtonnets allongés généralement observés,peuvent être directement formées dans des conditions de croissance adéquates. Une transition de forme de bâtonnets vers des boîtes est également démontrée par des traitements postcroissance sous arsenic. Les faibles densités de boîtes sont obtenues pour des faibles épaisseurs d’InAs déposées. Leur émission est facilement contrôlée à 1,55 µm par une procédure d’encapsulation spécifique appelé « double cap ». Quelques propriétés des boîtes individuelles d’InAs/InP sont ensuite évaluées. Les études de micro-photoluminescence révèlent des pics d’émission très fins et distincts autour de 1,55 µm confirmant les propriétés« quasi-atomiques » de ces boîtes uniques. Enfin, nous proposons pour la première fois une méthode à haute résolution spatiale qui permet d’étudier le transport de charges autour d’une boîte unique grâce à une technique de cathodoluminescence à basse tension d’accélération.Une mesure directe de la longueur de diffusion des porteurs avant capture dans une boîte a été obtenue. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives quant à l’intégration de ces boîtes uniques dans des microcavités optiques pour la réalisation de sources de lumières quantiques à 1,55 µm. / This thesis focus on the epitaxial growth and optical characterization of diluted InAs/InP(001) quantum dots for the realisation of new nanophotonic devices emitting at 1.55μm. The structural and optical properties of the quantum islands are correlated to different growth parameters of a solid source molecular beam epitaxy system. Our results highlight the influence of InAs surface reconstructions on the island shape. Dots rather than elongated dashes usually observed can be directly formed by adequate growth conditions. Dash to dot shape transition is also demonstrated by post-growth treatments. Low dot densities are obtained for small InAs deposited thickness. Their emission wavelength is easily tuned to1.55 µm using the “double cap” procedure for the growth of the InP capping layer. Optical properties of such single InAs/InP quantum dots are then evaluated. Microphotoluminescence studies reveal sharp and well separated emission lines near 1.55 µm from single dots confirming their atom-like properties. Last, we propose for the first time a highspatial resolution method to study the carrier transport in the vicinity of a single quantum dotusing a low-voltage cathodoluminescence technique. A direct measurement of the carrier diffusion length before capture into one dot has been obtained. These results open the way to the integration of these single dots into optical micro-cavities for the realisation of quantumlight sources at 1.55 µm.

Nous avons étudié la croissance de boîtes quantiques InAs/InP(001) par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques en vue de la réalisation de composants à 1,55 µm. Les propriétés structurales des boîtes, étudiées par microscopie électronique en transmission, et leurs propriétés optiques, étudiées par photoluminescence, ont été corrélées aux conditions de croissance. Notre étude met en évidence d'une part les influences d'origine thermodynamique et cinétique des paramètres de croissance de l'InAs, et d'autre part une influence de l'étape de recouvrement des boîtes (encapsulation). <br />Nous montrons que la longueur d'onde d'émission des boîtes peut être ajustée soit en modifiant la vitesse d'encapsulation, soit en incorporant volontairement du phosphore (formation de boîtes InAsP). Le bon contrôle de la morphologie et de la longueur d'onde d'émission des boîtes permet d'envisager des applications dans le domaine des télécommunications à 1,55 µm qui ont motivé ce travail. L'encapsulation des boîtes InAs/InP à forte vitesse de croissance nous a par ailleurs permis d'obtenir une émission au delà de 2 µm, ce qui ouvre de nouvelles perspectives d'applications dans la réalisation de sources pour la détection de gaz. <br />Enfin, l'observation à basse température (4 K) de l'exciton et du biexciton d'une boîte quantique InAs/InP(001) unique en micro-photoluminescence montre que ces boîtes pourraient être utilisées pour la réalisation de sources de photons uniques pour la cryptographie quantique à 1,55 µm.

Ce travail porte sur la croissance épitaxiale et la caractérisation optique de boîtes quantiques d'InAs/InP(001) en faible densité en vue de la réalisation de nouveaux composants nanophotoniques émettant à 1,55 µm. Les propriétés structurales et optiques des îlots ont été corrélés pour différents paramètres de croissance d'un système d'épitaxie par jet moléculaire à sources solides. Nos résultats soulignent l'influence des reconstructions de surface d'InAs sur la forme des îlots. Des boîtes, plutôt que des bâtonnets allongés généralement observés,peuvent être directement formées dans des conditions de croissance adéquates. Une transition de forme de bâtonnets vers des boîtes est également démontrée par des traitements postcroissance sous arsenic. Les faibles densités de boîtes sont obtenues pour des faibles épaisseurs d'InAs déposées. Leur émission est facilement contrôlée à 1,55 µm par une procédure d'encapsulation spécifique appelé " double cap ". Quelques propriétés des boîtes individuelles d'InAs/InP sont ensuite évaluées. Les études de micro-photoluminescence révèlent des pics d'émission très fins et distincts autour de 1,55 µm confirmant les propriétés" quasi-atomiques " de ces boîtes uniques. Enfin, nous proposons pour la première fois une méthode à haute résolution spatiale qui permet d'étudier le transport de charges autour d'une boîte unique grâce à une technique de cathodoluminescence à basse tension d'accélération.Une mesure directe de la longueur de diffusion des porteurs avant capture dans une boîte a été obtenue. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives quant à l'intégration de ces boîtes uniques dans des microcavités optiques pour la réalisation de sources de lumières quantiques à 1,55 µm.

Ce travail de thèse a porté sur l’étude des propriétés fondamentales de bâtonnets quantiques InAs/InP formant la zone active de diodes lasers, à l’aide de microscopie et spectroscopie à effet tunnel à balayage. Nous avons pu étudier la nature de la dimensionnalité de ces nanostructures, mesurer la structure électronique de bâtonnets uniques en fonction de leur position dans la jonction PIN et également établir la cartographie de leur fonction d’onde à l’aide de mesures de conductivité différentielle. Nous avons de plus étudié le potentiel de ces bâtonnets quantiques comme milieu à gain de diodes lasers pour applications en détection de gaz. Nous avons optimisé des structures actives qui ont permis une émission laser en continu jusqu’à 2 µm et nos résultats expérimentaux et de modélisation montrent que cette longueur d’onde d’émission peut être étendue encore plus vers le MIR. De plus nous avons conçu et développé un procédé de fabrication de lasers DFB à couplage latéral à base de réseau de Bragg à fort rapport cyclique qui a permis d’améliorer de façon significative le coefficient de couplage (>40 cm-1). Ce procédé ne nécessitant pas de reprise d’épitaxie est très simple et à bas coût dans sa réalisation. Les valeurs élevées du coefficient de couplage sont d’autre part obtenues sans recourir à des réseaux de Bragg métalliques, comme c’est généralement le cas dans la littérature, qui introduisent des pertes de propagation non négligeables. Cette nouvelle approche a été mise en œuvre pour la réalisation d’un laser monofréquence émettant à 1,986 µm, avec une puissance de sortie par face de 4,5 mW, un courant de seuil de 65 mA et un taux de suppression des modes latéraux > 37 dB. Ces paramètres sont parfaitement adaptés à la détection e.g. de NH3, ce qui est très important pour des applications industrielles. Ce type de laser DFB à couplage latéral (LC-DFB), à fort k et faibles pertes de propagation constitue une brique de base pour la réalisation future de composants à deux sections présentant une gamme élevée d’accordabilité en continu pour des applications aussi bien en détection de gaz qu’en télécommunications optiques / During this work, we investigated the fundamental properties of single Qdashes, that were embedded in a diode-laser structure configuration, using cross-sectional scanning tunneling microscopy and spectroscopy. The main results included addressing the open question of the Qdash dimensionality nature, probing the electronic structure of individual nanostructures in respect to their precise location in the p-i-n junction and imaging of the Qdash electronic squared wavefunctions by high-stability differential conductivity mapping. In addition, we investigated Qdashes as the active material of semiconductor lasers, with special attention to the gas sensing application. We optimized Qdash based material at specific emission wavelengths above 1.55 um, and demonstrated CW lasing up to 2 um with high performances. Our experimental and simulation results show to be promising for further pushing the emission wavelength out, towards longer wavelengths in the future, using the same material system. Furthermore, a novel process has been developed, for the fabrication of laterally-coupled DFB lasers, based on high-duty-cycle etched Bragg gratings: The process provides appreciably improved coupling coefficients suitable for practical applications (~40 cm-1), while avoiding the complicated high cost processing steps, that had been employed in previous works (regrowth over corrugated substrates/ FIB lithography) and without using the conventional highly absorbing metal gratings, which introduce significant additional losses. We implemented this approach on our optimized epi-wafer and demonstrated high SMSR (>37dB) LC-DFB lasers emitting at 1.986 um, with an output power per facet up to 4.5 mW and Ith down to 65 mA for a 630 um cavity length, suitable for detection of the NH3 gas. These high-κ, low loss, preliminary results of our LC-DFB lasers, achieved using etched gratings, open the way for the fabrication of a two-section LC-DBR laser using the same technology in the future. Such a laser would combine a significantly simplified process, with sufficient feedback, continuous wide range tunability, and negligible grating-induced losses, finding potential applications both in sensing and telecommunications applications

Ce travail porte sur une étude des propriétés électroniques des boîtes quantiques InAs/InP, qui est un système très prometteur pour les télécommunications. Ces nanoparticules sont étudiées pour différentes tailles, densité et dopage. Dans le premier chapitre, nous décrivons l'intérêt du système InAs/InP pour les applications optoélectroniques. Nous présentons la technique de croissance et quelques exemples d'applications de ces boîtes quantiques. Nous donnons une description générale complète des processus d'émission susceptible d'exister dans ces structures. Dans le deuxième chapitre, nous présentons les méthodologies de caractérisation électrique mises en jeu, en insistant sur la complémentarité de deux techniques d'analyse : la spectroscopie transitoire des défauts profonds et la mesure C(V). Dans le troisième chapitre, nous étudions ces boîtes quantiques avec la technique C(V) pour aboutir à une analyse qualitative et quantitative des profils N(W) des échantillons. Une étude de ce profil en fonction de la température nous permet de déterminer les types d'émission qui dominent dans nos structures. L'effet du fort dopage de la couche matrice, ainsi que la densité de boîtes est discuté. Dans le quatrième chapitre, une étude DLTS menée sur l'ensemble des échantillons disponibles montre plusieurs défauts reliés au contrôle de la croissance et de la qualité des interfaces. En outre, une étude plus approfondie nous permet d'extraire la réponse électrique des boîtes quantiques ainsi que leurs états électroniques s et p existants.

Semiconductor quantum dots (QDs) are well established as sub-Poissonian sources of entangled photon pairs. To improve the utility of a QD light source, it would be advantageous to extend their emission further into the near infrared, into the low absorption wavelength windows utilised in long-haul optical telecommunication. Initial experiments succeeded in interfering O-band (1260—1360 nm) photons from an InAs/GaAs QD with dissimilar photons from a laser, an important mechanism for quantum teleportation. Interference visibilities as high as 60 ± 6 % were recorded, surpassing the 50 % threshold imposed by classical electrodynamics. Later, polarisation-entanglement of a similar QD was observed, with pairs of telecom-wavelength photons from the radiative cascade of the biexciton state exhibiting fidelities of 92.0 ± 0.2 % to the Bell state. Subsequently, an O-band telecom-wavelength quantum relay was realised. Again using an InAs/GaAs QD device, this represents the first implementation of a sub-Poissonian telecom-wavelength quantum relay, to the best knowledge of the author. The relay proved capable of implementing the famous four-state BB84 protocol, with a mean teleportation fidelity as high as 94.5 ± 2.2 %, which would contribute 0.385 secure bits per teleported qubit. After characterisation by way of quantum process tomography, the performance of the relay was also evaluated to be capable of implementing a six-state QKD protocol. In an effort to further extend the emitted light from a QD into the telecom C-band (1530—1565 nm), alternative material systems were investigated. InAs QDs on a substrate of InP were shown to emit much more readily in the fibre-telecom O- and C-bands than their InAs/GaAs counterparts, largely due to the reduced lattice mismatch between the QD and substrate for InAs/InP (~3 %) compared to InAs/GaAs (~7 %). Additionally, to minimize the fine structure splitting (FSS) of the exciton level, which deteriorates the observed polarisation-entanglement, a new mode of dot growth was investigated. Known as droplet epitaxy (D-E), QDs grown in this mode showed a fourfold reduction in the FSS compared to dots grown in the Stranski-Krastanow mode. This improvement would allow observation of polarisation-entanglement in the telecom C-band. In subsequent work performed by colleagues at the Toshiba Cambridge Research Labs, these D-E QDs were embedded in a p-i-n doped optical cavity, processed with electrical contacts, and found to emit entangled pairs of photons under electrical excitation. The work of this thesis provides considerable technological advances to the field of entangled-light sources, that in the near future may allow for deterministic quantum repeaters operating at megahertz rates, and in the further future could facilitate the distribution of coherent multipartite states across a distributed quantum network.

La température et la pression sont deux paramètres particulièrement importants pour l’optimisation des performances du régime de lubrification élastohydrodynamique (EHL). A ce jour, différentes méthodes expérimentales ont été développées, avec plus ou moins du succès, pour la mesure de ces deux paramètres. Ce travail présente, en continuité de ces approches, des investigations visant à développer une nouvelle technique in situ permettant de mesurer localement ces deux grandeurs dans les contacts élastohydrodynamiques (EHD). Cette technique exploite la sensibilité en photoluminescence (PL) des boîtes quantiques (ou en anglais « quantum dots (QDs)) de CdSe/CdS/ZnS aux variations de température et de pression. A cet égard, des calibrations ont été réalisées afin d’évaluer la sensibilité de ces QDs aux deux paramètres. De plus, la versatilité de ces QDs comme nanosondes a été examinée en testant deux lubrifiants différents : le squalane et un mélange de squalane et de cyclopentane. Des mesures ont été également effectuées sous conditions dynamiques afin d’étudier (i) l’influence de la présence des QDs sur la rhéologie du lubrifiant et (ii) l’influence du taux de cisaillement sur la PL des QDs. Bien que ces différents tests aient prouvé le potentiel des QDs de CdSe/CdS/ZnS, ils ont révélé l’existence d’autres paramètres qui peuvent, tout comme la température et la pression, en modifier la réponse. L’étude a été menée afin d’approfondir la compréhension des mécanismes responsables de tels effets. Plus important encore, une méthodologie a été définie pour minimiser ces effets indésirables, et pour in fine, permettre l’usage de ces QDs en tant que nanosondes fiables. / Temperature and pressure are two relevant parameters for the optimization of lubrication performance in the elastohydrodynamic lubrication (EHL) regime. To date, various experimental methods have been developed to measure these two parameters with more or less success. In a continuation of these efforts, some investigations are presented in the current work in view of developing a new in situ technique allowing for local measurements of these two parameters throughout elastohydrodynamic (EHD) contacts. This technique exploits the photoluminescence (PL) sensitivity of CdSe/CdS/ZnS quantum dots (QDs) to changes in temperature and pressure. In this respect, calibrations have been carried out in order to establish the sensitivity of these QDs to the two parameters. Moreover, the versatility of these QDs for sensing applications have been examined by testing two different lubricants, namely squalane and a mixture of squalane and cyclopentane. Some measurements were also conducted under dynamic conditions, in order to study (i) the influence of the QDs presence on the lubricant rheology and (ii) the influence of shear rate on the PL of QDs. Although these different tests demonstrated the potential of CdSe/CdS/ZnS QDs, they revealed the existence of other parameters that affect, in addition to temperature and pressure, their response. A comprehensive study was thus conducted in order to elucidate the mechanisms behind these findings. More importantly, a methodology was defined in order to minimize these undesired influences and, in fine, enable these QDs to be used as reliable nanosensors.