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.

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.

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.

Detection of mid-wavelength infrared radiation is crucial for many industrial, military and biomedical applications. Photon detectors in the market can operate at only low temperature which increases weight, power consumption and total cost. Type-II InAs/GaSb superlattice infrared detectors are expected to have a major role in the infrared detector market with providing high quality detection characteristics at higher temperatures. Therefore, in the past decade, there has been an increasing interest in infrared detectors based on type-II InAs/GaSb superlattice technology due to their long range adjustable bandgap, low tunneling current and Auger recombination rates which bring potential of high temperature operation. Characterization of this photodiodes requires detailed investigations on different aspects. This study focuses on various optical and electrical characterization techniques for single pixel infrared detectors: responsivity characterization using FTIR and blackbody source, dark I-V and R-V characterizations, response time measurement. Characterizations of detector noise with respect to frequency and bias voltage are studied in detail. These characterization techniques are carried out in order to observe the effects of design with three different &ldquo / standard&rdquo / and a new &ldquo / N&rdquo / structure designs and also to understand the effects of surface passivation with atomic layer deposited Al2O3 layer and ordinary PECVD deposited Si3N4 and SiO2 layers. When standard photodiodes are compared, we observed that the one with the thickest active absorber region has the highest response and dark current density values. &ldquo / N&rdquo / structure design photodiode has very low dark current density while its optical performance is not as high as the standard designs. Si3N4 passivation degrades both optical and electrical performances. SiO2 and Al2O3 passivation layers improve optical and electrical characteristics of photodiodes. Theoretical and experimental dark current noise values of SiO2 passivated sample in agreement up to 0.18V reverse bias while those values of unpassivated and Si3N4 passivated samples agree only at zero bias. Temperature dependent R-V characteristics of photodiodes are analyzed and the surface limited activation energy is calculated in order to investigate the additional noise. At the end, surface recombination noise is proposed to cover the deficit on the noise calculation.

In this thesis the InSb(111), InAs(111) and GaSb(001) surfaces have been studied by means of time- and angle-resolved photoemission spectroscopy based upon the femtosecond laser system. The pump-and-probe technique allows to analyse both electron states in the valence band and normally unpopulated electron states above the valence band, which can be occupied by transiently excited carriers at the optically pumped surface. The life time of excited carriers is analysed by controlling over the time delay between pump and probe pulses. Experimental studies of the InSb(111) surface and comparison with a previously studied InSb(110) surface show electron excitations in the bulk region with a minor surface contribution. Time-resolved experiments of carrier dynamics at the polar InAs(111)A and InAs(111)B surfaces show about the same life time of excited carriers, while no populated states above the valence band maximum have been found at the InAs(111)A due to the charge removal. Surface intergap electron states have been found at the GaSb(001) surface located at ~250 meV above the valence band maximum. Angle-resolved experiments showed a strong confinement of this state at the centre of the surface Brillouin zone. A new two dimensional angle-resolved multi-anode analyser for the femtosecond laser photoemission setup has been constructed. The analyser can resolve a cone opening angle of ~1º at a drift distance of ~0.5 m with an energy resolution of ~125 meV. A continuous series of binary system SrTiO3–PbZr0.52Ti0.48O3 has been grown by pulsed laser deposition (PLD) on sapphire substrate with crystalline quality control by x-ray diffraction (XRD). The maximum tunability has been tailored to room temperature, where STO�PZT (71/29) composition shows superior performance. A PbZr0.52Ti0.48O3 thin film pressure sensor has been fabricated by PLD and characterised by XRD and electrical measurements. The piezoelectric constant was found to be ~20 % higher compared to the bulk ceramics. A ferroelectric thin film electro-optical cell Na0.5K0.5NbO3/La0.5Sr0.5CoO3 (NKN/LSCO) on sapphire has been fabricated by PLD. Refractive indices and electro-optical coefficient of the cell were characterised by prism coupling refractometry. The tunability of the PLD fabricated 2 μm slot NKN thin film interdigital capacitor has been found ~23 % at 40 V bias voltage and frequency 1 MHz. / QC 20101015

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.

High efficiency photovoltaic solar cells are expected to continue to be important for a variety of terrestrial and space power applications. Solar cells made of optically thick materials often cannot meet the cost, efficiency, or physical requirements for specialized applications and, increasingly, for traditional applications. This dissertation investigates improving the performance of single-junction GaAs solar cells by incorporating InGaAs/GaAs quantum wells and quantum dots to increase their spectral response bandwidth, and by incorporating structures that confine light in the devices to improve their absorption of it. InGaAs/GaAs quantum dots-in-wells extend the response of GaAs homojunction devices to wavelengths >1200 nm. Nanoparticles that are randomly deposited on the top of optically thick devices scatter light into waveguide modes of the device structures, increasing their absorption of electromagnetic energy and improving their short-circuit current by up to 16%. Multiply periodic diffractive structures have been optimized using rigorous software algorithms and fabricated on the back sides of thin film quantum dot-in-well solar cells, improving their spectral response at wavelengths 850 nm to 1200 nm, where only the quantum dot-in-well structures absorb light, by factors of up to 10. The improvement results from coupling of diffracted light to waveguide modes of the thin film device structure, and from Fabry-Perot interference effects. Simulations of absorption in these device structures corroborate the measured results and indicate that quantum well solar cells of ~2 µm in thickness, and which are equipped with optimized backside gratings, can achieve 1 Sun Airmass 0 short-circuit current densities of up to ~5 mA/cm2 (15%) greater than GaAs homojunction devices, and of up to >2 mA/cm2 (7%) greater than quantum well devices, with planar back reflectors. A combination of Fabry-Perot interference and diffraction into waveguide modes of the thin devices is shown to dominate the simulated device response spectra. Simulations also demonstrate the importance of low-loss metals for realizing optimal light trapping structures. Such device geometries are promising for reducing the cost of high efficiency solar cells that may be suitable for a variety of traditional and emerging applications. / text

Die Raman-Spektroskopie ist eine der nützlichsten optischen Methoden zur Untersuchung der Phononen organischer und anorganischer Materialien. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und der damit einhergehenden Verkleinerung der Strukturen von der Mikrometer- zur Nanometerskala nehmen das Streuvolumen und somit auch das Raman-Signal drastisch ab. Daher werden neue Herangehensweisen benötigt um sie mit optischer Spektroskopie zu untersuchen. Ein häufig genutzter Ansatz um die Signalintensität zu erhöhen ist die Verwendung von Resonanz-Raman-Streuung, das heißt dass die Anregungsenergie an die Energie eines optischen Überganges in der Struktur angepasst wird. In dieser Arbeit wurden InAs/Al(Ga)As-basierte Multilagen mit einer Periodizität unterhalb des Beugungslimits mittels Resonanz-Mikro-Raman-Spektroskopie und Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) den jeweiligen Schichten zugeordnet. Ein effizienterer Weg um die Raman-Sensitivität zu erhöhen ist die Verwendung der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS). Sie beruht hauptsächlich auf der Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung aufgrund von lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen in Metallnanostrukturen. Beide oben genannten Signalverstärkungsmethoden wurden in dieser Arbeit zur oberflächenverstärkten Resonanz-Raman-Streuung kombiniert um geringe Mengen organischer und anorganischer Materialien (ultradünne Cobalt-Phthalocyanin-Schichten (CoPc), CuS und CdSe Nanokristalle) zu untersuchen. Damit wurden in beiden Fällen Verstärkungsfaktoren in der Größenordnung 103 bis 104 erreicht, wobei bewiesen werden konnte, dass der dominante Verstärkungsmechanismus die elektromagnetische Verstärkung ist. Spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) ist ein Spezialfall von SERS, bei dem das Auflösungsvermögen von Licht unterschritten werden kann, was zu einer drastischen Verbesserung der lateralen Auflösung gegenüber der konventionellen Mikro-Raman-Spektroskopie führt. Dies konnte mit Hilfe einer Spitze erreicht werden, die als einzelner plasmonischer Streuer wirkt. Dabei wird die Spitze in einer kontrollierten Weise gegenüber der Probe bewegt. Die Anwendung von TERS erforderte zunächst die Entwicklung und Optimierung eines AFM-basierten TERS-Aufbaus und TERS-aktiver Spitzen, welche Gegenstand dieser Arbeit war. TERS-Bilder mit Auflösungen unter 15 nm konnten auf einer Testprobe mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen realisiert werden. Die TERS-Verstärkung und ihre Abhängigkeit vom Substratmaterial, der Substratmorphologie sowie der AFM-Betriebsart wurden anhand der CoPc-Schichten, die auf nanostrukturierten Goldsubstraten abgeschieden wurden, evaluiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die hohe örtliche Auflösung der TERS-Verstärkung die selektive Detektion des Signals weniger CdSe-Nanokristalle möglich macht.