Le but de ce travail est la réalisation d'un composant intégré pour l'amplification optique des signaux de télécommunications. La fonction d'amplification est primordiale dans tous les types de transmissions de données à moyenne et longue distance. Nous verrons tout d'abord le rôle du composant dans les réseaux de télécommunications optiques, ainsi que la théorie des processus d'amplification appliquée aux deux matériaux utilisés (Nanocristaux de PbSe et particules dopées Erbium). Après la fabrication et la caractérisation optique de la résine de PMMA dopée aux nanocristaux de PbSe, nous décrirons l'élaboration du composant incluant les différentes étapes de simulation et de fabrication. Les propriétés optiques de ce guide amplificateur seront déterminées : pertes de propagation et de couplage, gain on-off et gain net.

Récemment, nombres d'alternatives à la traditionnelle modulation d'intensité ont été proposées dans le contexte des télécommunications optiques. Les systèmes dits cohérents, utilisant la phase de l'onde optique, présentent de nombreux avantages : meilleure sensibilité, resistance à divers effets non-linéaires. Ils montrent néanmoins un comportement différent vis à vis du bruit accumulé lors de la propagation. L'effet Kerr dans la fibre induit un bruit de phase non-linéaire qui limite les performances de ces systèmes.<br />Dans une première partie, l'estimation rapide, analytique ou semi-analytique, de ces fluctuations est proposée dans deux contextes différents. Les résultats alors obtenus par application de la méthode des moments et de la théorie des perturbations sont validés par des simulations numériques de la propagation. Nous menons également une étude expérimentale de l'influence de la carte de dispersion sur le bruit de phase.<br />Dans une deuxième partie, nous proposons et étudions un format de modulation basé sur la modulation de phase différentielle continue, dans le but d'améliorer l'efficacité spectrale. Ce format est obtenu en modulant la phase optique par un signal à trois niveaux de type duobinaire. Ses performances sont comparées à celles des formats standards au débit de 10 Gbit/s lors d'une expérience utilisant une boucle à recirculation.

Avec l'augmentation continue du débit par canal, les effets de déformation des impulsions sont de plus en plus critiques, comme peut l'être la dispersion modale de polarisation (PMD) pour un débit de 40 Gbit/s dans les réseaux de fibre optique actuels. Les réseaux tout optiques du futur intégreront des fonctions de conversion de longueur d'onde et de régénération tout optique au niveau des noeuds de commutation. Dans ce mémoire, nous étudions plus particulièrement la capacité des régénérateurs optiques à combattre la PMD. Si leur e cacité est averée, ils constitueront tout naturellement des compensateurs de PMD distribués dans le réseau.<br />Après une introduction aux systèmes de télécommunications par fibre optique et au phénomène de dispersion modale de polarisation, nous présentons les techniques de régénération du signal. Nous proposons une méthode originale pour caractériser un régénérateur optique vis-à-vis de la PMD et en déduire la probabilité de coupure d'une liaison avec un régénérateur d'une part, et sa place optimale au sein de la liaison d'autre part.<br />Les régénérateurs 2R peuvent être classés en deux catégories : les régénérateurs de type I traitent les impulsions sans leur donner de forme particulière tandis que les régénérateurs de type II donnent une forme bien spécifique aux impulsions. L'étude numérique de la capacité d'un régénérateur de type I à combattre la PMD en un passage unique met en évidence l'inutilité d'un régénérateur placé directement devant le récepteur. Seul un régénérateur déporté au sein de la ligne de transmission permet de compenser la PMD dans une certaine mesure, et son e cacité est maximale s'il est placé pratiquement au milieu de la liaison.<br />La technique de régénération par élargissement spectral et fltrage décalé constitue un bon exemple de régénérateur de type II. Par son principe même, ce type de régénérateur permet une compensation naturelle de la PMD. Mais son étude approfondie théorique et expérimentale démontre son inefficacité pour combattre la PMD en un passage.<br />Ces travaux se concluent par l'étude de l'impact de la PMD sur les techniques de récupération d'horloge électriques ou optiques, élément clé de tout régénérateur 3R et de tout récepteur. Les techniques électroniques simples ne peuvent être employées en raison du creusement du spectre électrique induit par la PMD et du décalage temporel horloge-données créé. Aussi l'utilisation de techniques de récupération d'horloge tout optiques permet de circonvenir ces deux limitations. En particulier, les lasers auto-pulsants constituent des composants très prometteurs pour réaliser une récupération d'horloge optique en présence de PMD. Enfin leur utilisation dans un régénérateur 3R original permet de démontrer la faisabilité d'une compensation de la PMD par un régénérateur 3R tout optique à architecture simple.

A l'échelle nanométrique, les particules de métaux nobles possèdent des propriétés optiques fascinantes. Elles sont dominées par le phénomène de « Résonance de Plasmon de Surface » dont le profil spectral est très sensible à la taille, à la forme et à l'environnement des particules (milieu diélectrique extérieur, autres particules proches...). Ce travail de thèse a pour but une meilleure compréhension des processus fondamentaux responsables des modifications de la résonance de plasmon : d'une part en réalisant la spectroscopie d'extinction de nanoparticules « uniques » par la technique originale de Spectroscopie à Modulation Spatiale et d'autre part en caractérisant la morphologie de ces mêmes objets par une observation directe en Microscopie Electronique à Transmission. Cette double approche permet de corréler la réponse optique de nanoparticules (isolées ou bien en interaction (dimères)) avec leur forme ou leur arrangement spatial, et d'en faciliter ainsi la modélisation théorique.

Ce mémoire de thèse décrit l'implantation et l'étude spectroscopique d'atomes de césium dans un monocristal d'hélium hcp à une température de 1.1 K dont une des applications possible pourrait être une mesure du moment anapolaire du noyau de Cs. Nous avons mis en place un cryostat optique permettant de travailler pendant plusieurs mois avec un monocristal d'hélium orienté. L'implantation des atomes de césium a été réalisée par atomisation laser à partir de grains métalliques, d'abord avec un laser YAG doublé, puis avec un laser Ti:Sa femtoseconde amplifié. Ce nouveau procédé a permis d'obtenir une densité atomique supérieure tout en déposant moins d'énergie dans le cristal. La détection optique des atomes a mis en évidence un allongement notable de la durée de piègeage de la population atomique à 1.1 K par rapport à 1.6 K. La forme de raie de la transition D2 (6S1/2 --> 6P3/2) en absorption est compatible avec une levée de dégénérescence entre les sous-niveaux MJ = ±3/2 et ±1/2 de 200 cm−1, en bon accord avec les prévisions théoriques donnant l'écart en énergie entre ces sous-niveaux dans une bulle atomique présentant une anisotropie statique de 6%. L'analyse de l'intensité relative des composantes de la raie D2 permet d'inférer que la composante haute énergie correspondrait aux sous-niveaux | MJ |= 1/2 et que la déformation de la bulle autour de l'état fondamental serait négative (en forme de coussin). Nous avons cherché à vérifier la dépendance de la forme de raie avec la polarisation de la lumière. La faiblesse des effets observés laisse supposer soit que la lumière incidente est dépolarisée, soit l'axe local de l'anisotropie du cristal autour des atomes est désorienté de manière isotrope.

Par une structuration périodique de l'espace à l'échelle de la longueur d'onde, les cristaux photoniques permettent un contrôle efficace de la lumière. Nos travaux concernent l'exploitation des propriétés de ces cristaux pour définir une cavité planaire de diode laser et pour en proposer un contrôle de l'émission. Une première partie présente l'étude de guides définis par des cristaux photoniques bidimensionnels obtenus dans une hétérostructure semi-conductrice par la réalisation de trous. Différents comportements modaux sont analysés selon le point de fonctionnement choisi. Nous montrons qu'une émission monomode de type DFB (Distributed Feedback) peut être obtenue. La deuxième partie concerne la démonstration expérimentale de diodes laser à cristaux photoniques bidimensionnels fonctionnant sous pompage électrique. Les caractéristiques spectrales et modales sont analysées et elles permettent de valider l'étude théorique. Une émission monomode avec un taux de réjection des modes secondaires supérieur à 35 dB a été obtenue. Dans la dernière partie, nous proposons une approche originale du contrôle spectral basée sur une déformation de la maille du cristal photonique selon l'axe latéral de la cavité laser. Il est alors montré qu'une telle déformation permet d'accéder à un contrôle de la longueur d'onde d'émission à 0,4 nm près, tout en restant compatible avec les contraintes technologiques liées à la réalisation d'un cristal photonique. D'autre part, nous démontrons expérimentalement que ce type de déformations peut être mis à profit pour améliorer les caractéristiques d'émission laser des dispositifs étudiés grâce à une ingénierie de la bande interdite photonique.

Cette thése porte sur l'étude des relations entre la symétrie des boîtes quantiques de semiconducteur auto-assemblées III-V et II-VI (QDs, anglais quantum dots) et leurs propriétés optiques. L' intrication de polarisation d'une paire de photon émise dans la cascade biexciton-exciton d'une boîte quantique d'InGaAs a été récemment démontrée par deux groupes [1, 2]. En principe, l'éclatement de structure fine (FSS, anglais fine structure splitting) du niveau fondamental d'un exciton neutre, qui caractérise l'anisotropie native des boîtes quantiques, doit être inférieur à la largeur des raies radiatives. Dans le cas contraire, la collection de photons intriquées nécessite une post-sélection draconienne, qui réduit fortement l'effcacité d'une telle source [2]. Une technique fiable permettant un tel contrôle de la structure fine est fortement souhaitable afin d'envisager de futures applications des boîtes quantiques comme source des photons intriqués en polarisation. Dans ce but, l'application d'une perturbation externe semble être une technique très prometteuse. Différentes stratégies pour lutter contre cette levée de dégénérescence ont été abordées par divers groupes de recherche ces derniµeres années : (i) effectuer un traitement post-croissance tel qu'un recuit pour modifier les propriétés structurale des boîtes [3, 4]), (ii) appliquer une perturbation externe comme par exemple une contrainte uni-axiale [5], en vue de compenser l'anisotropie, (iii) chercher à produire une dégénérescence fortuite en appliquant un champ magnétique transverse [6]. C'est cette dernière méthode qui en 2006 a donné les résultats les plus probants, en démontrant le contrôle du degré d'intrication des photons émis par une boîte quantique unique. C'est donc dans un contexte d'intense compétition internationale que nos propres travaux ont été menés. Nous nous sommes concentrés sur l'exploration de deux effets: (i) la déformation par un champ électrique externe de la fonction d'onde des excitons de boîtes quantique [7], (ii) le déplacement Zeeman des niveaux excitoniques par un champ magnétique transverse pouvant conduire µa une dégénérescence accidentelle des deux niveaux d'exciton [8].<br />Le premier Chapitre 1 (Introduction: quantum dots for entangled photons emission) sert à introduire brièvement les propriétés fondamentales des boîtes quantiques de semiconducteur. Nous donnerons une description simple de leurs états électroniques, suffisantes pour discuter les propriétés optiques de ces objets et bien comprendre le rôle que joue l'anisotropie des boîtes. En particulier la levée de dégénérescence des niveaux excitoniques sera décrite ainsi que ses conséquences pour l'émission de photons intriqués en polarisation.<br />Dans le Chapitre 2 (Samples and Experimental setups) nous décrirons les échantillons de boîtes quantiques étudiés au cours de cette thèse, à savoir des boîtes InAs/GaAs et CdTe/ZnTe. Nous présenterons les procédés technologiques utilisés pour réaliser des structures à effet de champ en vue de l'application d'un champ électrique. Enfin les différents montages expérimentaux de micro-photoluminescence seront détaillés.<br />Dans la partie suivante (Chapitre 3, Influence of electric field on quantum dots) nous présenterons des résultats de spectroscopie de boîtes quantiques individuelles dans un champ électrique. La levée de dégénérescence des excitons est reliée µa l'interaction anisotrope d'échange entre électron et trou laquelle dépend sensiblement de la forme de la fonction d'onde excitonique. Un champ électrique semble être un bon moyen pour modifier cette dégénérescence et donc éventuellement l'annuler. Le champ est d'abord appliqué dans le plan des boîtes, géométrie qui semble la plus propice à changer la symétrie des fonction d'ondes. Selon la direction du champ par rapport aux axes principaux des boîtes il devrait être possible d'augmenter ou diminuer le FSS. Par la technologie de contacts sur des matériaux d'III-V (structures de diode n-Schottky et Schottky-Schottky) il nous a été possible d'appliquer le champ électrique avec succµes sur des boîes quantiques. Des changements systématiques de l'anisotropie optique de la luminescence étaient obtenus [7]. Ceux-ci sont le fruit de deux effets concurrents : la modification prévue de la symétrie des fonction d'ondes et la modification du recouvrement des fonctions d'onde d'électron et trou. Le dernier effet devrait toujours mener a la réduction de l'interaction d'échange. Afin d'estimer sa valeur nous avons exécuté des expériences dans une configuration de champ électrique parallèle à la direction<br />de croissance des QDs. Dans cette configuration le champ ne semble pas devoir modifier significativement la symétrie des fonctions d'ondes pour un électron et un trou. Les changements de structure fine devraient être provoqués principalement par la séparation spatiale des porteurs. Les variations observées dans le champ vertical étaient plus petites que pour la configuration dans le plan, ce qui confirme notre hypothµese. Mais pour autant, l'asymétrie observée en renversant le sens du champ électrique indique aussi que le champ vertical produit un effet sur la symétrie des excitons [9]. Ceci se comprend assez bien car le champ électrique vertical déplace les porteurs par rapport aux régions de forte anisotropie des boîtes quantiques situées au dessus et au dessous du coeur de la boîte.<br />Les changements de FSS dans le champ horizontal qui on été obtenus, sont relativement grands (comparable au décalage Stark), mais l'utilité de cette méthode reste limitée par la diminution d'intensité (due à la séparation spatiale des porteurs, et à leur ionisation hors des boîtes par échappement tunnel). Toutefois, l'annulation complète de la structure vine a été observée sur quelques boîtes quantiques possédant une anisotropie initiale faible. <br />D'autres mesures sur les complexes excitoniques tels que biexciton et trions nous ont permis de déterminer la position spatiale relative d'un électron et d'un trou à l'intérieur d'une boîte [9]. Les études de l'influence du champ électrique sur les propriétés optiques de boîtes II-VI ont été limitées à des observations liées aux fluctuations de champs électriques locaux, responsables de variations noncontrôlées de la structure fine excitonique [10].<br />Le Chapitre 4 (Influence of magnetic field on quantum dots) est consacré à la description de l'influence du champ magnétique externe sur l'émission des boîtes. Pour des boîtes II-VI, la technologie de fabrication d'électrodes n'étant pas disponible, l'application d'un champ magnétique mérite vraiment d'être explorer. Nous avons expérimentalement observé que pour des boîtes CdTe/ZnTe les changements de FSS dépendent de l'amplitude et de la direction du champ magnétique appliqué. Pour le champ appliqué oblique aux axes principaux d'une boîte nous avons noté une rotation de la polarisation d'émission. L'explication de ces résultats repose sur le couplage très particulier entre les états "brillants" et les états "noirs" dans la configuration de champ transverse, comme le montre un modèle théorique de l'interaction Zeeman dans cette configuration. Il faut pour cela introduire un facteur de Landé transverse non nul pour les trous, ce qui suggère d'inclure le mélange de bande entre trous lourds et trous légers. Nous avons obtenu une bonne concordance entre les résultats expérimentaux et la théorie [8]: qualitative en ce qui concerne la rotation de la polarisation et de l'intensité des raies de luminescence, et quantitative pour l'évolution des niveaux d'énergie et de la structure fine. Très important d'un point de vue théorique, ont été prises en considération non seulement la direction du champ par rapport aux axes des boîtes, mais également par rapport aux axes du cristal. Le formalisme théorique était nécessaire pour comprendre comment le champ magnétique peut modifier la dégénérescence du spin dans certains cas seulement, et pour expliquer le rôle de l'anisotropie du facteur g transverse des états de trou. Les mesures dans le champ longitudinal ont quant-à elles fourni des informations sur le facteur g longitudinal des excitons. Elles montrent la gamme de champ pour laquelle l'anisotropie de QD devient négligeable par rapport a l'énergie Zeeman, conditions dans lesquelles on obtient l'émission des états propres bien polarisés circulairement.<br />Les études de la rotation du spin de l'exciton considéré comme un système a deux niveaux sont présentées dans le Chapitre 5 (Towards entanglement) dans l'optique principale d'étudier sa cohérence quantique. En premier lieu, nous montrons la disparition de cette précession quand l'éclatement de structure fine est annulée grâce µa un champ électrique: cela se manifeste par une résonance de l'orientation optique du spin de l'exciton sous excitation quasi-résonnante. La largeur de cette résonance permet de remonter de manière très originale à la largeur de raie homogène de la boîte quantique. Réciproquement, on observe que pour des boîtes quantiques avec une forte levée de dégénérescence, on peut réaliser l'alignement optique des excitons par une excitation résonnante (assistée par un phonon LO) polarisée linéairement et parallèlement aux axes de la boîte quantique. De manière plus générale, en fixant la polarisation de l'excitation et en variant la base de détection de la polarisation de la luminescence, nous mettons en évidence de forts effets de conversion de la polarisation (circulaire en linéaire et réciproquement) provoquées par la précession du spin de l'exciton dans le champ magnétique effectif (champ externe + interaction d'échange anisotrope). Ces effets sont la preuve que l'exciton garde parfaitement sa cohérence quantique aux échelles de temps de la luminescence. Tous les résultats présentés sont en bon accord avec une description théorique basée sur le formalisme de la matrice densité. <br />Le dernier Chapitre 6 (Conclusions) présente un sommaire des résultats obtenus. Les études expérimentales et modélisations théoriques confirment que les perturbations externes, comme le champ électrique et magnétique, peuvent être utilisées pour modifier la structure des niveaux excitoniques des boîtes afin de contrôler leurs propriétés optiques. Les études détaillées de la direction de perturbation par rapport aux axes de l'anisotropie nous ont permis de comprendre les mécanismes de l'influence de ces champs sur les niveaux excitoniques. Le contrôle de la structure fine donne une chance d'augmenter la symétrie pour améliorer le degré d'intrication des pairs de photons corrélés émis par un biexciton.<br /><br />[1] R. J. Young et al,. New J. Phys., 8:29, 2006.<br />[2] N. Akopian et al., Phys. Rev. Lett., 96:130501, 2006.<br />[3] R. J. Young et al., Phys. Rev. B, 72:113305, 2005.<br />[4] A. I. Tartakovskii et al., Phys. Rev. B, 70:193303, 2004.<br />[5] S. Seidl et al., Appl. Phys. Lett., 88:203113, 2006.<br />[6] R. M. Stevenson et al., Phys. Rev. B, 73:033306, 2006.<br />[7] K. Kowalik et al., Appl. Phys. Lett., 86:041907, 2005.<br />[8] K. Kowalik et al., Phys. Rev. B, 75:195340, 2007.<br />[9] K. Kowalik et al., Phys. Stat. Sol. (c), 3:3890, 2006.<br />[10] K. Kowalik et al., Phys. Stat. Sol. (c), 3:865, 2006.<br />[11] A. Kudelski et al., J. Lumin., 112:127, 2005.

La manipulation optique d'objets en surface d'un guide d'onde représente une approche potentiellement intéressante pour le développement de microsystèmes de tri de particules. Toutefois, la mise en oeuvre de ces dispositifs est actuellement freinée par des performances limitées en terme de propulsion mais aussi par une mauvaise maîtrise des interactions mises en jeu sur des objets métalliques. Ces difficultés ont jusqu'alors interdit la manipulation d'objets biologiques sur ces composants. A travers une étude théorique, nous proposons une méthode originale de calcul des forces optiques s'exerçant sur un objet en surface d'un guide d'onde. Elle permet de mettre en évidence l'existence de forces de gradient répulsives, sur des billes métalliques, dans certaines conditions. L'élaboration d'un dispositif expérimental dédié à la manipulation de particules nous a permis de valider ce modèle et de mettre en évidence une forte dépendance des vitesses des billes métalliques micrométriques avec la polarisation de la lumière. Ces observations illustrent l'impact des forces de gradient sur le mouvement des particules. D'un point de vue plus appliqué, le modèle théorique développé nous a permis de concevoir des structures guidantes destinées à optimiser la propulsion des particules. Expérimentalement, l'utilisation de guides en nitrure de silicium a effectivement conduit à améliorer de façon conséquente les performances des dispositifs existants. Celles-ci nous ont permis d'élargir le champ d'application de cette technique au domaine de la biologie et de mettre en oeuvre le déplacement et la concentration de cellules sur des guides d'onde, sans aucun marquage.

La connaissance simultanée de la richesse et vitesse locale est très importante dans de nombreuses applications de combustion et spécialement dans les moteurs à injection directe essence où la flamme se propage à travers une distribution de mélange air-carburant hétérogène. Cette étude reproduit ces hétérogénéités de richesse avec un mélange propane-air dans une chambre de combustion à volume constant. L'influence locale de la richesse et de la vitesse sur la propagation de la flamme est étudiée. La stratification est crée par un jet pulsé riche injecté dans une chambre en mélange pauvre, le mélange étant ensuite allumé. Deux diagnostics optiques ont été utilisés simultanément, la PIV pour la mesure de vitesse et la FARLIF pour la mesure de richesse à froid et en combustion. Les propriétés et gammes d'applications de la PIV et de la FARLIF ont été vérifiées. Ces méthodes ont ensuite été utilisées pour étudier les caractéristiques de la combustion stratifiée.

De nombreuses applications industrielles nécessitent le dépôt de films métalliques à la surface de polymères afin de conférer une fonction de conduction électrique à ces matériaux isolants. Cette étude a été motivée par la volonté de la société Radiall, dont une partie de l'activité concerne la réalisation de connecteurs à haute performance, de remplacer le procédé de métallisation par voie humide par un procédé de dépôt par voie sèche plasma. Le travail présenté ici porte ainsi sur l'étude du procédé de pulvérisation cathodique magnétron avec ionisation de la vapeur par plasma radiofréquence (RF-IPVD) pour le dépôt de couches minces de cuivre sur substrats de formes complexes en poly-sulfure de phénylène. Cette thèse regroupe d'une part les résultats concernant la métallisation des connecteurs et d'autre part l'analyse de la phase plasma. La validation du procédé RF-IPVD a comporté plusieurs étapes : i) le développement du traitement du polymère par plasma ICP avant dépôt du film de cuivre afin que l'adhérence satisfasse la norme ISO 2409. ii) la détermination des paramètres d'élaboration permettant d'optimiser la conductivité des films et leur conformité sur les substrats 3D. Ces travaux se sont concrétisés par la définition d'un réacteur pilote dans l'optique de réaliser la transposition à l'échelle industrielle du procédé RF-IPVD. Plusieurs études à caractère fondamental ont également été menées afin, d'une part, de comprendre les mécanismes régissant l'adhérence (analyses XPS) et ceux régissant la résistivité (analyses DRX). D'autre part, l'utilisation de divers diagnostics de la phase plasma ont été employés afin de comprendre les mécanismes de transfert d'énergie prenant place dans le milieu gazeux et responsables des propriétés des dépôts.