Ce travail de thèse, essentiellement expérimental, porte sur l'étude par photoluminescence résolue spatialement, temporellement et en polarisation des propriétés de spin des boîtes quantiques uniques de GaAs/Al GaAs formées par épitaxie par gouttelettes. Les travaux présentés sont organisés autour de trois parties.Une première partie dédiée à l'étude expérimentale de la corrélation temporelle des photons émis par les boîtes quantiques incorporées dans une membrane bidimensionnelle de cristaux photoniques. Une dépendance en puissance de la probabilité de coïncidence lors de la corrélation croisée entre les transitions excitonique et biexcitonique de la même boîte est observée et modélisée en fonction du taux d'occupation de la boîte.Une deuxième partie porte sur les règles de sélection optique dans ces structures, pointde départ pour des expériences de pompage optique. L'observation de l'orientation de la polarisation des photons émis par les différentes transitions de la boîte quantique nous permet de mettre en évidence un couplage entre les états de trous lourds et de trous légers.Ce couplage est modélisé en fonction de la forme et de l'orientation de la boîte quantique par rapport aux axes cristallographiques.La dernière partie porte sur des expériences de polarisation du spin des noyaux de la boîte quantique par transfert de la polarisation du spin de l'électron. Ce transfert de polarisation, dû à l'interaction hyperfine entre électron et noyaux, dépend de différents paramètres temporels que nous pouvons ajuster avec notre modèle. Nous présentons également une mesure directe du temps de construction de cette polarisation nucléaire / This thesis present experimental studies of spin properties in GaAs/AlGaAs quantumdots grown by droplet epitaxy by spatially and temporally resolved photoluminescence measurements. This studies are presented in three different parts. The first part is dedicated to the study of the temporal correlation of the photons emitted by a quantumdot embdedded in two-dimensional photonic crystal membrane. We observe the power dependanceof the coincidence probability by cross-correlation measurements between the biexcitonic and the excitonic transitions into a single quantum dot. Our findings are qualitatively understood with a statistic model. The second part focuses on optical selection rules in these structures, starting point for spin injection experiments. We evidence the mixing between heavy holes and light holes states by analysing the polarisation direction of the luminescence from a single quantum dot. We explain the states mixing by a model that takes into account the shape and the tilting of the quantum dot with respect to the crystallographic axes. The last part presents optical pumping experiments. We inject spinpolarised electrons and observe the creation of a dynamical nuclear polarisation. This polarisation transfert, due to hyperfine interaction, depends on caracteristic times that we can extract thanks to our model. We also present a direct measurement of the creation time of the nuclear spins polarisation

Le grand intérêt des fréquences THz (0.1-10 THz) pour l’imagerie, la spectroscopie et les communications sans fils a conduit à un important développement de dispositifs pour la génération et la détection d’ondes THz. Les photodiodes à transport unipolaire font partie des principales sources grâce à leur comportement large bande (0-3 THz), leur fonctionnement à température ambiante, leur longueur d’opération à 1.55 µm et leur taille compacte. Le plus grand inconvénient est la leur faible puissance RF générée à haute fréquence (ordre du µW à 1 THz). Une technique pour l’augmenter consiste à utiliser des puissances optiques en entrée plus élevées. Par contre, cette solution peut conduire à leur destruction due à l’échauffement, surtout en cas d’absorption non voulue.Dans la première partie de la thèse un contact électrique basé sur un réseau sub-longueur d’onde a été développé pour réduire ce problème. Cette solution donne des bonnes propriétés électriques, optiques et thermiques avec un procédé plus simple en termes de fabrication et caractérisation par rapport aux travaux précédents.Un deuxième inconvénient est relié à leur caractère non-linéaire qui conduit à un bruit à basse fréquence à cause du large spectre des sources optiques. Ce problème est critique dans le cas de mesures à haute fréquence avec des détecteurs incohérentes car les puissances RF sont très faibles.Dans la deuxième partie de la thèse un filtre passe-haut avec une haute transparence et large bande a été développé sur un diélectrique avec faible pertes aux fréquences THz. Le procédé développé peut être utilisé pour des dispositifs en espace libre grâce aux propriétés optique du diélectrique. / The increasing interest in the THz region (0.1-10 THz) for applications like imaging, spectroscopy and wireless communications is leading to a strong development of devices for the generation and detection of THz waves. Uni-travelling carrier photodiodes (UTC-PDs) are one of the main sources due to their broadband behavior (0-3 THz), room temperature operation, driving wavelength of 1.55 µm and compactness. Their main drawback comes from the low output RF powers at high frequencies (order of µW at 1 THz). A technique to increase their RF powers consists in using higher optical driving powers. However, this solution may lead to their failure because of heating, especially in case of unwanted absorption.In the first part of the thesis an electrical contact based on sub-wavelength apertures has been developed to reduce this issue. This solution has been shown valuable under multiple aspects. It provides good electrical, optical and thermal properties, while leading to an easier process in terms of fabrication and characterization with respect to previous works.A second drawback of UTC-PDs is due to their non-linear behavior which leads to a noise at low frequency because of the broad spectrum of the driving optical signals. This issue is critical for measurements at high frequencies with incoherent detectors due to the low RF powers to be detected.In the second part of the thesis a high-transparency broadband high-pass mesh filter has been developed on a novel low-loss dielectric material to filter-out this noise. The developed process can be exploited in other free-space devices like metamaterials due to the remarkable properties of this dielectric at THz frequencies.

Depuis les années 2000, le développement de la spectroscopie Raman à exaltation de pointe (TERS) a permis l’accès de manière extrêmement localisée aux propriétés structurales et moléculaires à la surface de la matière et à des analyses physico-chimiques combinées. La technologie TERS associe les techniques de microscopie à sonde locale - ici le microscope à force atomique (AFM) - avec le champ proche optique. Elle bénéficie en particulier de la génération, à la surface métaux nobles, de plasmons de surface à l’origine d’exaltation d’ondes électromagnétiques pouvant être confinées dans un volume sub-longueur d'onde à l'extrémité des sondes AFM-TERS. Aujourd'hui le principal verrou technologique en TERS est la conception des sondes AFM en termes de reproductibilité à échelle nanométrique, et de fabrication en série. Ce travail de thèse effectué dans le cadre d’une thèse CIFRE (HORIBA Scientific) a eu pour but de concevoir un nouveau type de sonde AFM-TERS répondant aux exigences de performances et de fabrication actuelles. Pour atteindre cet objectif, une étude de simulation numérique a conduit à proposer une nanostructuration métallique de l’extrémité d’un levier AFM, afin de conduire à une exaltation électromagnétique optimisée. Un procédé de nano- et micro-fabrication a été développé au sein de la plateforme de micro et nano-fabrication de l'IEMN, combinant lithographie électronique et optique, évaporation métallique et gravure sur wafers silicium. Il permet la réalisation en série de sondes AFM dont chaque extrémité est composée d'une nano-antenne métallique de taille sub-longueur d'onde, composée d'un nanodisque supportant un nanocône. La méthode de fabrication proposée permet un contrôle des réponses plasmoniques en termes d’amplification du champ et d’accordabilité de la résonance, qui sont la clé des performances en spectroscopie Raman à exaltation de pointe. Une étude sur l’évaporation inclinée lors du procédé de nano-fabrication développé par lithographie électronique a également été réalisé dans le but de contrôler la forme des nanoparticules – de forme conique à cylindrique avec des parois poreuses -- isolées ou en réseaux denses. Les simulations numériques suggèrent que de tels objets peuvent être des candidats potentiels pour le TERS ou le SERS (spectroscopie Raman à exaltation de surface). / Since the start of the 2000s the evolution of tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) has enabled the simultaneous measurement of localized structural, molecular, and physicochemical properties. TERS technology combines scanning probe microscopy -- atomic force microscopy (AFM) -- with near field optical microscopy. The combined technique is referred to as AFM-TERS. The technique harnesses and exploits the generation of surface plasmons on metal surfaces. These plasmons lead to the generation of confined electromagnetic waves in a sub-wavelength volume at the very tip of the AFM-TERS probe. The main technological challenge today is the design and optimization of an AFM-TERS probe having nanometer-sized dimensions -- and the controlled, reproducible batch fabrication of such structures. The objective of the work presented in this PhD thesis was to design, fabricate, and characterize a new type of AFM probe capable of bettering the current state-of-the-art performances. The PhD was carried out in collaboration with HORIBA and funded partly by a French ‘CIFRE’ grant. In order to meet these objects, comprehensive numerical modelling led to the design of an optimized metal nanostructuring having maximum electromagnetic exaltation -- placed at the extremity of a silicon-based AFM cantilever. A new combined micro and nano fabrication process was developed to achieve this -- to be performed using the existing equipment found in the IEMN cleanroom. The process encompasses techniques such as masking using electron beam (ebeam) lithography and UV photolithography, thermal evaporation of metals and ‘lift-off’ techniques, and highly-controlled dry etching of small silicon mesas structures and deep etching for MEMS cantilever releasing. The process enables the batch-fabrication manufacture of AFM-TERS probes containing matter on the millimeter scale (the silicon probe support), the micrometer scale (the silicon cantilever), and the nanometer scale (the combined metallic disk and cone having sub-wavelength dimensions). This method allows nanostructuring on the optical/plasmonic behavior of TERS probes, the key factor which will lead to higher performance in TERS. Finally, a further study concerning the inclined evaporation of metallic nanostructures via an ebeam-derived lithographic shadow mask was performed in order to control the size and shape of the nanostructuring. The study proved this approach to be feasible. Furthermore, numerical modelling of such structures suggests that they are potential original candidates for both TERS and SERS (surface-enhanced Raman spectroscopy).

Lorsqu'il s'agit de réaliser des mesures spectroscopiques, on se trouve rapidement limité par la plage d'accord en fréquence des lasers qui est imposée par la répartition d'énergie entre les niveaux des transitions atomiques ou moléculaires couplés par l'émission stimulée. Afin de s'affranchir de cette limitation, nous avons recours à la conversion paramétrique optique. L'étude que nous avons menée, consiste à développer un oscillateur paramétrique optique (OPO) doublement résonnant à cavités imbriquées permettant de convertir un rayonnement primaire (à 1 μm) en un rayonnement accordable entre 3,8 et 4,5 μm de grande finesse spectrale (monomode longitudinal) en vue du dosage sélectif de différentes espèces gazeuses. Nous procédons à l'automatisation du montage au moyen d'un programme développé sous Labview qui permet d'atteindre des balayages en fréquence monomodes continus sur une centaine de GHz, et une stabilisation en fréquence de ± 2,8 MHz. Nous utilisons ensuite notre source pour réaliser des mesures d'absorption directe ainsi que des enregistrements de spectres photoacoustiques. Nous obtenons ainsi des spectres de plusieurs espèces gazeuses à différentes pressions ; ces spectres étant en accord avec les spectres théoriques calculés à partir de la base de données Hitran. Finalement nous validons de nouvelles voies permettant de faire évoluer le montage vers un dispositif plus compact et robuste. Ainsi, nous démontrons qu'il est possible d'obtenir l'oscillation paramétrique à partir d'un micro-laser. D'autre part, nous validons une nouvelle architecture que nous appelons

Nous étudions en détail les effets de polarisation dans les mélanges paramétriques à trois ondes en cavité. Nous nous intéressons tout d'abord à l'étude théorique de l'Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) de type II dans lequel nous insérons une lame biréfringente. En type II signal et complémentaire sont polarisés orthogonalement et nous montrons que le couplage induit par la lame créée une zone d'accrochage où l'OPO fonctionne à dégénérescence de fréquence. Après avoir caractérisé de manière approfondie les propriétés classiques de ce système, nous étudions l'intrication quantique des faisceaux jumeaux et relions les résultats obtenus à différents critères d'information quantique. Nous faisons également l'étude expérimentale et théorique d'un système de régénération tout-optique basé sur la génération vectorielle de seconde harmonique à reconversion paramétrique de type II avec une double cavité et étudions la faisabilité d'un tel système dans des conditions télécom.

Aucun

La fabrication de modulateurs electroabsorbants fonctionnant à 40 GBits/s de type SIBH ( Semi-Insulating Buried Heterostructure) à base de GaInAsP ou D'AlGaInAs sur substrat d'InP et enterrés dans de l'InP semi-isolant dopé Fer par Epitaxie en Phase Vapeur aux Organo-Métalliques (MOVPE) nécessite l'optimisation : des conditions de croissance MOVPE pour obtenir la planarisation de la surface après reprise sur rubans modulateurs de fortes (> 5mum) et permettre la fabrications des composants, du caractère semi-isolant de l'InP de confinement dopé Fer (résistivité>10 puissance 8 ohm.cm) pour atteindre le débit de 40 GBits/s et de l'interface de reprise entre le ruban et le confinement en InP semi-isolant pour le fonctionnement des composants en régime de polarisation inverse. Cette thèse contribue au développement et à la fabrication de composants possédants ces caractéristiques grâce à l'ajout de Tertio-Butyle de Chlore (TBCl ou (CH3)3CCl) au cours de la croissance par MOVPE.

Quelques mots sur le contexte général de l'étude La physique des hautes pressions, et particulièrement la mesure des équations d'état, s'est développée pour répondre aux besoins d'autres disciplines où la connaissance quantitative du comportement de la matière fortement comprimée est fondamentale. Ainsi, en géophysique, la compréhension de la structure interne de la terre1 dépend de l'équation d'état du fer et de ses propriétés physiques 2 . Une situation similaire se rencontre en planétologie pour d'autres éléments (structure de Jupiter et équation d'état de l'hydrogène3 , structure d'Uranus et équation d'état de l'eau4 ...). Plus généralement, l'équation d'état des matériaux constituant un objet astrophysique intervient nécessairement dans l'étude théorique de sa structure interne pour fermer le système des équations de l'hydrostatique5 . Les premières méthodes d'étude étaient des méthodes de compression statiques, telles-que les cellules à enclumes de diamant. Bien que ces méthodes connaissent actuellement des améliorations qui en étendent le domaine d'application, leurs limites (faible pression maximale, caractère isotherme de la compression) ont poussé au développement de voies nouvelles. Les ondes de choc générées par laser se sont affirmées comme un outil privilégié pour ces recherches. Depuis l'arrêt des essais nucléaires (dont la contribution à la mesure d'équations d'état est résumée dans les articles de Ragan III 6 du côté américain et Trunin7 du côté russe), cette méthode est celle qui permet d'atteindre les pressions les plus élevées (750 Mbar en 1993 à Livermore, par collision de feuilles d'or 8 ). Si cette possibilité existe depuis le développement de grands lasers de puissance destinés à la recherche sur la fusion par confinement inertiel, son emploi pour des mesures précises est récent 9 . Ceci n'est en effet devenu envisageable que grâce à des travaux préalables sur les conditions indispensables de qualité du choc : l'introduction du lissage optique pour assurer l'uniformité du choc, l'étude de sa stationnarité et du préchauffage. Il s'agit donc d'un domaine encore imparfaitement exploré, et les matériaux à étudier sont nombreux. Parmi ceux-ci, les matériaux poreux revêtent un caractère particulier et cette thèse s'attache à la mesure de leur équation d'état. L'étude des matériaux poreux (" mousses ") à haute pression est effectuée en vue de leurs nombreuses applications, dans le domaine de la fusion par confinement inertiel, des expériences d'astrophysique en laboratoire, aussi bien que dans le but d'une meilleure compréhension fondamentale de ces matériaux exotiques dans des conditions extrêmes. Dans le cadre de la fusion par confinement inertiel, les mousses plastiques sont employées dans certains schémas de cibles (en attaque directe) ou pour le remplissage de cavités (en attaque indirecte). Elles présentent en effet des propriétés intéressantes du point de vue hydrodynamique, et pour le lissage thermique des inhomogénéités d'éclairement 10,11 . L'objectif de la fusion par confinement inertiel est de déclencher l'ignition de réactions de fusion thermonucléaire en comprimant une cible constituée d'un mélange de deutérium et de tritium. Dans le scénario dit d'attaque directe , on utilise l'ablation des couches extérieures de la cible sphérique par un éclairage laser pour engendrer par réaction des ondes de chocs convergeant en son centre afin d'y créer les conditions de température et de densité propres à l'allumage des premières réactions de fusion. Celles-ci doivent alors déposer suffisamment d'énergie, et le mélange autour du point chaud doit être suffisamment dense, pour que la combustion se propage à toute la cible. Les instabilités hydrodynamiques amplifiant les moindres irrégularités de l'onde de choc, il est indispensable pour la réussite de cette méthode d'avoir le dépôt d'énergie le plus homogène possible. En complément aux méthodes optiques, l'emploi des mousses s'est avéré une solution intéressante. En effet, revêtir une cible de mousse de faible densité permet de créer très rapidement un plasma surcritique (c'est-à-dire dans lequel la lumière du laser ne peut se propager) de taille importante (comparable à l'épaisseur de la mousse). A travers cette zone, l'énergie est transmise par conduction thermique jusqu'au front d'ablation où le choc est engendré. C'est essentiellement la conduction thermique latérale qui va diffuser l'énergie et permettre le lissage effectif de son profil au front d'ablation, c'est-à-dire son " empreinte " sur l'hydrodynamique. Pour une comparaison fiable avec les schémas de cibles concurrents, tels ceux utilisant un ablateur de beryllium, actuellement privilégiés 12 , il est nécessaire de bien connaître leurs propriétés, et notamment leur équation d'état. En effet, le choix final et l'optimisation de la cible sont effectués essentiellement sur la base de simulations hydrodynamiques, dont la validité dépend notamment de celle des équations d'état utilisées. Dans le cadre des expériences d'astrophysique en laboratoire, les mousses plastiques offrent un moyen de simuler les milieux de faible densité relative. Elle peuvent être utilisées par exemple comme analogue d'atmosphères stellaires ou du milieu interstellaire. On citera notamment les expériences de Drake et al. 13,14 et Benuzzi et al. 15 , simulant l'explosion d'une supernova. L'intérêt majeur des expériences réalisables actuellement avec des lasers intenses semble résider dans la validation des codes hydrodynamiques utilisés par les astrophysiciens 16 . Une comparaison détaillée des résultats numériques et des résultats expérimentaux demande à nouveau une bonne connaissance de l'équation d'état des matériaux utilisés comme analogues des milieux astrophysiques. Du fait de leur faible densité, les mousses plastiques présentent également un intérêt dans le cadre d'expériences de mesure d'équation d'état d'autres matériaux par choc laser 17 : Leur emploi comme ablateur permet d'atteindre des pressions de choc élevées grâce au phénomène de désadaptation d'impédance, tout en minimisant le préchauffage radiatif du fait de leur faible numéro atomique. Enfin, une bonne connaissance de l'équation d'état suppose la capacité d'explorer un large domaine de l'espace des phases. Or, tous les états d'un matériau accessibles avec une onde de choc se situent sur une même courbe (courbe d'Hugoniot). Afin de surmonter cette limitation, plusieurs approches sont utilisées. On peut par exemple avoir recours à des chocs multiples 18 , pour se rapprocher de la courbe de compression isentropique du matériau, ou mesurer sa détente à partir d'un état sous choc19 . Une autre voie consiste à partir d'un état différent du matériau, soit en le comprimant préalablement par une méthode statique, soit, pour partir d'une densité initiale réduite, en utilisant un matériau poreux20 . L'étude des matériaux poreux s'inscrit donc dans le cadre général de l'exploration d'états exotiques de la matière. Etat des connaissances avant la thèse Lorsque nous avons entrepris cette étude les équations d'état disponibles pour les mousses plastiques reposaient sur des résultats expérimentaux très peu nombreux, à relativement basse pression (kbar), obtenus à l'aide de canons à gaz. Il s'agit essentiellement des travaux de Holmes 21 , fournissant un seul point de mesure sur la polaire de choc d'une mousse de polystyrène de 139 mg/cm3 , à 40 kbar. L'apparition récente de méthodes précises de mesure d'équation d'état à l'aide d'ondes de choc générées par laser 9 permettait donc d'envisager leur application au cas des mousses plastiques, dans un domaine encore inexploré de pressions et températures.

Depuis quelques années, le besoin de systèmes de communications plus rapides et plus sures se fait sentir. Le partage entre utilisateurs de la très grande bande passante des fibres optiques nécessite des techniques d'accès adaptées. Afin de répondre à ces besoins, un certain nombre de techniques de multiplexage, dont le CDMA, ont été développées. Cette technique d'accès multiple est déjà largement utilisée dans les systèmes de communications radio-mobiles, que ce soit dans les normes américaines (IS 95), japonaises ou, plus récemment, européenne (UMTS). Ce rapport de thèse traite du DS-CDMA appliqué aux communications optiques. Le premier chapitre permet une mise en contexte et décrit le fonctionnement des techniques de multiplexage utilisées dans les systèmes radiofréquences et les systèmes de transmissions optiques. Le second chapitre présentes les différents types de code utilisés dans les systèmes CDMA. Les codes bipolaires associés aux systèmes radiofréquences sont définis et une présentation des codes optiques est effectuée. Les caractéristiques et contraintes que doivent respecter ces codes optiques, pour être utilisable dans une liaison DS-CDMA optique, sont données. Dans le troisième chapitre, la transmission de signaux CDMA sur un canal optique, passif ou amplifié est abordée et les configurations de décodage électrique et optique, ainsi que les performances du système optique dans ces différentes configurations sont étudies La dernière partie de notre étude concernera l'utilisation de codeurs / décodeurs à réseaux de Bragg dans un système CDMA optique. Des simulations et des montages expérimentaux permettront d'étudier la faisabilité d'une telle implémentation.

La compréhension de la formation des systèmes planétaires, et du système solaire en particulier, est un des buts premiers en planétologie. De nombreuses informations sur les processus ayant eu lieu lors de la formation des planétésimaux sont toujours présentes au sein de la population des petits corps. Par conséquent, l'étude des astéroïdes est de la plus haute importance pour comprendre les mécanismes de formation planétaire, et requiert une connaissance solide de leurs propriétés physiques (taille, forme, densité, période de rotation et coordonnées du pôle) ainsi que de leurs propriétés de surface (distribution d'albédo et minéralogie) Dans ce contexte, j'étudie deux principaux astéroïdes de la ceinture principale cibles de la mission Dawn de la NASA: (1) Cérès et (4) Vesta, au moyen d'observations par imagerie et spectro-imagerie à haute résolution angulaire assistées par optique adaptative. Mes résultats montrent que la planète naine (1) Cérès est différenciée et que certaines marques d'albédo présentes à sa surface pourraient être composées d'un mélange de glace et de silicates. Une relation entre la topographie et la pente spectrale est détectée à la surface de (4) Vesta, ainsi qu'une relation entre l'albédo et la pente spectrale. Divers modèles sont envisagés, et l'hypothèse de présence d'un champs magnétique fossile protégeant la surface de l'altération spatiale due au vent solaire est privilégiée. Je décris également une nouvelle méthode d'analyse des propriétés physiques des petits corps utilisant les images de leur disque apparent ainsi que leurs courbes de lumière, et son application sur deux astéroïdes: (2) Pallas et (41) Daphne, permettant la détermination de leur densité de manière très précise. Une discussion sur les biais et erreurs systématiques des différentes méthodes utilisées dans la communauté est proposée, mettant en avant les avantages de cette nouvelle méthode. L'étude d'un ensemble d'astéroïdes par cette méthode est envisagée, afin de fournir une base de calibration aux grands projets futurs de cartographie du ciel telle que la mission Gaia de l'ESA. Je présente enfin une étude dynamique du système trans-Neptunien triple (136108) Haumea et des effets de marées qui s'y produisent. Une caractérisation des membres de sa famille dynamique est ensuite réalisée et finalement, je décris une tentative d'élargissement du domaine spectral utile (vers l'infrarouge moyen) pour contraindre la minéralogie des astéroïdes par spectroscopie.