This Licentiate presents the main results of theoretical study of light propagation in photonic structures, namely lasing disk microcavities and photonic crystals. In the first two papers (Paper I and Paper II) we present the developed novel scattering matrix technique dedicated to calculation of resonant states in 2D disk microcavities with the imperfect surface or/and inhomogeneous refractive index. The results demonstrate that the imperfect surface of a cavity has the strongest impact on the quality factor of lasing modes. The generalization of the scattering-matrix technique to the quantum-mecha- nical case has been made in Paper III. That generalization has allowed us to treat a realistic potential of quantum-corrals (which can be considered as nanoscale analogues of optical cavities) and to obtain a good agreement with experimental observations. Papers IV and V address the novel effective Green's function technique for studying propagation of light in photonic crystals. Using this technique we have analyzed characteristics of surface modes and proposed several novel surface-state-based devices for lasing/sensing, waveguiding and light feeding applications. / <p>Report code: LIU-TEK-LIC 2006:5</p>

Dans les microcavités semiconductrices, les polaritons excitoniques sont obtenus à partir du couplage fort entre l'exciton et le photon. Le régime de laser à polaritons à température ambiante, première étape vers le condensat de Bose-Einstein (BEC), a été atteint dans des microcavités ZnO et nous avons dans cette thèse étudié les propriétés des condensats de polaritons. Nous avons réalisé la spectroscopie linéaire et déterminé les propriétés spatiales de nouvelles microcavités ZnO sur substrat Si structuré en mesa, de haut facteur de qualité Q. Plusieurs géométries de génération de condensats de polariton ont été mises en oeuvre et comparées. Nous avons également mesuré, au travers d'expériences d'imagerie 2D en champ proche et en champ lointain, et modélisé, en résolvant l'équation de Gross-Pitaevskii, la propagation des condensats. Nous avons ainsi pu décrire les phénomènes mis en jeu dans la propagation des condensats à 80 et 300K pour une excitation fortement focalisée par rapport à une excitation étendue à 2D. Ces travaux posent les bases de dispositifs polaritoniques à 300K dans lesquels les condensats seront façonnés et contrôlés. / In semiconductors microcavities, exciton-polaritons arise from the strong coupling between excitons and photons. The polariton laser at room temperature, which is the first step to Bose-Einstein condensation (BEC), has been achieved in ZnO microcavities and the study of polariton condensates is the main issue of this work. We have studied the linear spectroscopy and measured the spatial properties of new high-Q ZnO microcavities grown on a patterned Si-substrate. Many generation geometries have been set up and compared to control the shape of polariton condensates. We have also measured and simulated polariton condensates propagation, using respectively 2D imaging experiments in near-field and far-field and by resolving the Gross-Pitaevskii equation. Then we were able to describe the variety of phenomena involved in the condensates propagation at 80 and 300 K for a tightly focused excitation compared to a wide 2D excitation. Those experiments pave the way for the development of polariton devices operating at 300 K in which polariton condensates can be patterned and controlled.

The objective of this dissertation is to improve the performance of surface acoustic wave (SAW) biosensors for use in point-of-care-testing (POCT) applications. SAW biosensors have the ability to perform fast, accurate detection of an analyte in real time without the use of labels. However, the technology suffers from the inability to differentiate between specific and non-specific binding. Due to this limitation, direct testing of bodily fluids using SAW sensors to accurately determine an analyte's concentration is difficult. In addition, these sensors are challenged by the need to detect small concentrations of a biomarker that are typically required to give a clinical diagnosis. Sensitivity, selectivity and reliability are three critical aspects for any sensing platform. To improve sensitivity the delay path of a SAW sensor has been modified with microcavities filled with various materials. These filled cavities increased sensitivity by confining wave energy to the surface by way of constructive interference and waveguiding. Thus, the improved sensitivity will result in a lower limit of detection. In addition, insertion loss is decreased as a consequence of increased wave confinement to the surface. Sensor selectivity and reliability are adversely affected by non-specific binding of unwanted species present in a sample. To address this issue a multifunctional SAW sensor is presented. The sensor consists of two SAW delay lines oriented orthogonal to each on ST-quartz in order to generate two distinct wave modes. One wave mode is used for sensing while the other is used to remove loosely bound material. By using the same transduction mechanism for both removal and sensing, the sensor chip is simplified and complex electronics are avoided. The findings of this research involve the technological advances for SAW biosensors that make their use in POCT possible.

Nous avons étudié par diverses techniques de photoluminescence les propriétés optiques d'hétérostructures à base de composés III-N de structure wurtzite. Des expériences de photoluminescence résolues en polarisation nous ont permis de mettre en évidence l'influence des contraintes et du confinement sur la structure de bande d'une hétérostructure. L'étude de boites quantiques uniques GaN/AlN a pu être réalisée sur un système original : une boite quantique comme tranche d'un nanofil. Ce nouveau système nous a ainsi permis d'identifier les émissions de l'exciton et du biexciton. Nous avons également démontré le caractère d'émetteur de photon unique d'une boite quantique insérée dans un nanofil grâce à une expérience de corrélation de photon fonctionnant dans l'ultraviolet. Nous nous sommes également intéressés aux propriétés optiques de microdisques III-N et avons mesuré des facteurs de qualité atteignant 11000, ouvrant la porte à l'étude de l'effet Purcell dans ces structures. Finalement nous nous sommes penchés sur la dynamique des porteurs et du spin dans les hétérostructures GaN/AlN. Les boites quantiques se révèlent extrêmement efficaces pour éviter les recombinaisons non radiatives, les temps de déclin de la luminescence étant indépendants de la température même pour des boites présentant des déclins de l'ordre de la microseconde. Les boites quantiques semblent aussi être très efficientes pour supprimer les effets de diffusion sur le spin d'un exciton localisé. En effet des expériences d'alignement optique en pompage quasi résonnant nous ont permis de montrer que la polarisation induite était conservée sur la durée de vie de l'exciton et ce jusqu'à température ambiante.

Photonics nowadays is one of the most rapidly developing areas of modern physics. Photonic chips are considered to be promising candidates for a new generation of high-performance systems for informational technology, as the photonic devices provide much higher information capacity in comparison to conventional electronics. They also offer the possibility of integration with electronic components to provide increased functionality. Photonics has also found numerous applications in various fields including signal processing, computing, sensing, printing, and others. Photonics, which traditionally covers lasing cavities, waveguides, and photonic crystals, is now expanding to new research directions such as plasmonics and nanophotonics. Plasmonic structures, namely nanoparticles, metallic and dielectric waveguides and gratings, possess unprecedented potential to guide and manipulate light at nanoscale. This Thesis presents the results of theoretical studies of light propagation in photonic and plasmonic structures, namely lasing disk microcavities, photonic crystals, metallic gratings and nanoparticle arrays. A special emphasis has been made on development of high-performance techniques for studies of photonic devices. The following papers are included: In the first two papers (Paper I and Paper II) we developed a novel scattering matrix technique for calculation of resonant states in 2D disk microcavities with the imperfect surface or/and inhomogeneous refraction index. The results demonstrate that the surface imperfections represent the crucial factor determining the $Q$ factor of the cavity. A generalization of the scattering-matrix technique to the quantum-mecha\-nical electron scattering has been made in Paper III. This has allowed us to treat a realistic potential of quantum-corrals (which can be considered as nanoscale analogues of optical cavities) and has provided a new insight and interpretation of the experimental observations. Papers IV and V present a novel effective Green's function technique for studying light propagation in photonic crystals. Using this technique we have analyzed surface modes and proposed several novel surface-state-based devices for lasing/sensing, waveguiding and light feeding applications. In Paper VI the propagation of light in nanorod arrays has been studied. We have demonstrated that the simple Maxwell Garnett effective-medium theory cannot properly describe the coupling and clustering effects of nanorods. We have demonstrated the possibility of using nanorod arrays as high-quality polarizers. In Paper VII we modeled the plasmon-enhanced absorption in polymeric solar cells. In order to excite a plasmon we utilized a grated aluminum substrate. The increased absorption has been verified experimentally and good agreement with our theoretical data has been achieved.

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Previous experimental and theoretical results indicate that the keys to successful radial lip seals are the surface characteristics of the shaft and the microasperity pattern that develops due to wear on the elastomer. In this study, the lip seal was tested against five different patterns of shaft surface: plain stainless steel, triangular cavities oriented towards air, triangular cavities oriented towards oil, triangular cavities leading and triangular cavities lagging. Using Zygo optical profilometer and scanning electron microscope, a thorough surface characterization of the micro-asperities and microcavities is done on the lip seal elastomer. Correlation coefficients were calculated between the surface parameters of the final shaft surface and elastomer. Although both the surface characteristics of the shaft and the micro-asperities that develop on the elastomer sealing zone are responsible for a successful operation of the lip seal, the deterministic triangular micro-cavity patterns created on the shaft surface dominated the pumping direction with a large variability in the pumping rate. This variability is due to the elastomer wear in. This study also finds a significant correlation between the axial position of minimum roughness on the sealing zone of the elastomer and the pumping rate of the lip seals.

Les polaritons de microcavité sont des états hybrides lumière-matière à caractère bosonique.Dans les dernières décennies, un grand intérêt a été accordé à leur phase de condensation de Bose-Einstein.Nous avons développé dans ce travail des outils théoriques et numériques pour comprendre et interpréter la dynamique spatiale et temporelle de la formation des condensats de polaritons.Nous avons proposé une approche numérique pour la résolution complète des équations couplées du modèle Gross-Pitaevskii généralisé à deux dimensions en coordonnées cartésiennes.Nous avons cherché à comprendre les aspects du seuil de condensation sous différentes configurations spatiales et temporelles d'excitation optique non résonante.Nous avons en particulier proposé une nouvelle approche pour définir le seuil.Enfin, pour une condensation sous exciation focalisée, dans une microcavité ZnO, nous avons pu accéder à, et comprendre, quelques propriétés vues dans les expériences. / Microcavity polaritons are hybrid light-material states of a bosonic nature.In the last decades, an enormous interest has been paid to their Bose-Einstein condensation phase.We develop, in this work the theoretical and numerical tools to understand and interpret the spatial and temporal dynamics of the formation of condensates of polaritons.We propose a numerical approach for the comprehensive resolution of the generalized Gross-Pitaevskii model in two-dimensions in Cartesian coordinates.We sought to understand the aspects of the condensation threshold under different spatial and temporal configurations of non-resonant optical excitation.In particular, we propose a new approach to define the threshold.Finally, for a condensation under a focal exciation in a ZnO microcavity, we were able to access, and understand, some of the experimentally observed properties.

Ce travail de thèse a consisté à mettre en place toute une filière de fabrication de microtores en silice sur silicium (étapes de lithographie et de gravure en salle blanche pour la réalisation de microdisques, installation d'un banc optique permettant la transformation du résonateur en microtore par un procédé de recuit laser CO2), à installer un banc optique permettant de mesurer la largeur spectrale de leurs résonances optiques à 1.55 µm et enfin, à explorer l'intégration d'émetteurs de lumière composés d'éléments de la colonne IV comme du silicium et du germanium, dans ces cavités. Des microtores supportant des résonances de facteur de qualité Q proche de 10^8 à 1.55 µm ont été fabriqués. Ces réalisations sont très proches de l'état de l'art et valident à la fois la fabrication des cavités et le banc optique permettant les mesures spectrales des modes de galerie (WGM). Grâce à un contrôle fin des différentes étapes de fabrication, de nouveaux résonateurs ont également été réalisés, des microsphères de silice sur puce de petits rayons (entre 5 et 14 µm). Une étude détaillée de ces résonateurs est présentée. Des Q proches de 10^8 ont également été mesurés. Des cavités WGM comportant une couche de nanoclusters de silicium dans une matrice de silice avec des ions erbium (SiOx : Er) sont étudiées en photoluminescence. Un couplage des ces émetteurs à des WGM est observé à température ambiante dans le visible et dans l'infrarouge. Un travail de couplage du germanium aux WGM a commencé et semble prometteur. / This work consisted in developing a fabrication process of silica microtoroids on a silicon chip (steps of lithography and etching in clean room for the realization of microdisks, set up of an optical bench to form a microtoroid with a reflow treatment of a silica microdisk by a CO2-laser), setting up an optical bench to measure the linewidth of their optical resonances at 1.55 µm and finally, exploring light emitters integration in these cavities such as silicon and germanium. Very high quality-factors (Q) close to 10^8 at 1.55µm have been measured on microtoroids. These realizations are very close to the State of the art and validate both the fabrication of these cavities and the optical bench to measure the linewidth of their Whispering Gallery Modes (WGM). With a precise control of the fabrication steps, new resonators have also been fabricated, silica microspheres on a chip with small radii (5 < r < 14µm). An in-depth study of these last ones is presented. Q-factors close to 10^8 have also been measured on microspheres. WGM cavities with a SiOx: Er layer (silicon nanoclusters in silica with erbium ions) are studied by photoluminescence. Coupling of these light emitters to WGM is observed in visible and near infrared at room temperature. A work of coupling of germanium to WGM began and seems promising.

Ce travail de thèse porte sur l'étude optique de nanofils de GaN et de microcavités d'AlN contenant des boîtes quantiques de GaN. La largeur de raie de l'exciton lié au donneur neutre dans le spectre de photoluminescence des nanofils de GaN crûs par épitaxie par jets moléculaires met en evidence l'homogénéité des contraintes dans le matériau. S'ils ne présentent aucun confinement excitonique, la géométrie filaire permet une relaxation efficace des contraintes et permet d'étudier précisément le bord de bande du GaN relaxé en phase cubique. Par ailleurs, nous infirmons l'attribution de la transition à 3.45 eV observée dans le spectre des nanofils de GaN wurtzite à un satellite à deux électrons. En effet, les règles de sélection de son dipôle, ainsi que son évolution sous champ magnétique intense, montrent que cette transition n'a pas les propriétés d'un satellite à deux électrons. Nous avons également étudié la spectroscopie de microdisques d'AlN contenant des boîtes quantiques de GaN. Des facteurs de qualité record pour les cavités en AlN ont été mesurés autour de 3 eV. Des nanocavités d'AlN contenues dans des guides d'onde unidimensionnels ont également été étudiées. L'attribution de chaque mode au guide d'onde ou à la cavité, prédite par des calculs préliminaires, est confirmée expérimentalement par une localisation différente. Ces structures donnent lieu à d'excellents facteurs de qualité, de 2300 à 3.45 eV, jusqu'à 4400 à 3.14 eV. Si le facteur de Purcell attendu est très élevé (autour de 100), nous n'avons pas réussi à observer l'effet Purcell. Ceci s'explique soit par l'instabilité des modes de cavité et de l'émission des boîtes quantiques sous exposition prolongée, soit par l'importance des recombinaisons non radiatives. Enfin, il apparaît que le frein principal à l'obtention de l'effet laser dans ces structures est l'important champ électrique interne, qui ralentit l'émission spontanée des boîtes quantiques. / This work focuses on the optical study of GaN nanowires and AlN microcavities containing GaN quantum dots. The 1-meV linewidth of the neutral donor-bound exciton line in the photoluminescence spectrum of MBE-grown GaN nanowires evidences that the strain is homogeneous in the material. These nanowires do not exhibit any excitonic confinement, but the efficient strain relaxation allows to grow strain-free zinc-blende GaN nanowires and then to conduct fine spectroscopy on cubic GaN near band edge. Beside, we show that the tentative attribution of the recombination line at 3.45 eV in the spectrum of wurtzite GaN nanowires to a surface-enhanced two-electron satellite does not hold. Indeed, its dipole polarization selection rules and its evolution with intense applied magnetic field do not match that of a two-electron satellite. We also performed the spectroscopy of GaN/AlN quantum dot microdisks. Record quality factors for AlN cavities were measured around 3 eV. GaN/AlN quantum dot nanocavities embedded in photonic crystal waveguides were also investigated. The attribution of each mode either to the waveguide or to the cavity, predicted by calculations, is experimentally confirmed by a different light localization. These structures allow excellent quality factors to be reached, from 2300 at 3.45 eV, up to 4400 at 3.14 eV. Although the expected Purcell factor is very high (around 100), we did not manage to observe the Purcell effect. This originates either from an enhancement of non-radiative recombination channels or from an instability of both the cavity modes and the quantum dot emission under intense exposure. Finally, it appears that the main limiting factor to achieve lasing in these structures is the strong built-in electric field, which slows up the spontaneous emission rate of the quantum dots