Avec les avantages significatifs de stockage, de traitement et de transmission des informations, la science de l’information quantique a attiré des études abondantes lors des dernières décennies, par lesquelles de nombreuses preuves de principe ont été faite en utilisant des techniques expérimentales macro-photoniques. Cependant, l'applicabilité de ces technologies dépend fortement de la miniaturisation du système, i.e. l'intégration « sur-puce » des fonctionnalités photoniques quantiques. Les conditions prérequis générales d'une puce quantique intégrée sont la génération, le transport et la détection localisée et efficace de photons. Des efforts ont été réalisés avec succès comportant une ou deux fonctions nécessaires. Cependant, l'intégration complète reste encore inachevée. Basé sur des éléments nano-photoniques de semiconducteurs et des techniques de nano-fabrication simples, cette thèse vise à fournir une stratégie d'intégration « sur-puce ». Une excitation efficace et locale d'une source de photon unique par un guide d'onde inférieure à l'échelle de la longueur d'onde est d'abord démontrée. Ensuite, nous étudions l’échange efficace de la lumière entre les nanostructures et les guide d'onde, qui peuvent servir le bloc de liaison entre les dispositifs dans un système d'intégration. La fabrication et la caractérisation d'un photo-détecteur sensible basé sur un nanofil unique sont présentées, qui présente un grand potentiel pour la détection de photons uniques. A la fin, une perspective de l'intégration ultime de toutes ces fonctionnalités est fournie / With the significant advantages in storing, processing and transmitting information, quantuminformation science has attracted abundant studies in the last few decades, by which many proofs ofprinciple have been made using macro-photonic experimental techniques. However, the applicabilityof this technology still strongly depends on the miniaturization of the system, i.e. the on-chip integration of quantum photonic functionalities. The general prerequisites of an integrated quantumchip are localised and efficient generation, transportation and detection of photons. Some effortshave been made successfully involving one or two necessary features. However, the full integration still remains unaccomplished. Based on semiconductor nanophotonic elements and simple nanofabrication techniques, this thesis aims to provide a strategy for on-chip quantum photonic integration. An efficient and local excitation of a single photon source with a subwavelengthwaveguide is firstly demonstrated. Then we investigate the efficient light exchange betweennanostructures and waveguides that can serve as linking blocks between devices in an integrationsystem. The fabrication and characterisation of a sensitive photodetector based on a single nanowireis also presented, which exhibits great potential in single-photon detection. At the end, an outlook ofthe ultimate integration of all these functionalities is provided

Polyfluorenes are polymers with outstanding properties: They are semi-conducting, relatively rigid, quite stable chemically and thermally, easily substituted and therefore potentially soluble in numerous solvents and more importantly, they exhibit blue electro- and photoluminescence. For all these reasons, these polymers are the subjects of numerous academic and industrial researches.<p>The first subject of this work deal with the design, the synthesis and the characterisation of polyfluorenes end-capped with perylene dicarboximide derivatives. These perylene moieties are able to interact by energy transfer under specific conditions of illumination, proximity and orientation. Their observation by single molecule spectroscopy permitted therefore to gain valuable information concerning the three-dimensional folding of single polyfluorene chains. To complete this study, the synthesis and characterisation of a perylene end-capped trimer of fluorene was performed. This structure being monodisperse, a finer analysis of the energy-transfer occurring between both perylene dyes could be accomplished, which confirmed the structural hypothesis made for the polymer. During these studies, it has been observed that, in addition to the energy transfer occurring between both perylene derivatives, another energy transfer occurs between the polyfluorene backbone and the perylene derivatives upon excitation of the first. This led to the idea of the synthesis of a polyfluorene bearing perylenes dicarboximide as side chains. This perylene-rich polyfluorene has been used to build a photovoltaic cell efficient in the wavelengths of both polyfluorene absorption and perylene carboximide absorption. <p>Another subject of this work was the design, synthesis and characterisation of polyfluorenes bearing bulky phenoxy groups as side-chains. These polymers, due to their lower tendency toward aggregation, exhibited a better stability of their emission colour upon annealing. Similarly, a series of homo- and copolymers of fluorene bearing bulky and hole accepting triphenylamine substituants was synthesised and characterised. In addition to their improved colour stability in comparison with dialkylpolyfluorenes, the LEDs build with these materials exhibited a very low turn on voltage. <p> / Doctorat en sciences, Spécialisation chimie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse présente une étude des propriétés électroniques et optoélectroniques de fils moléculaires de polythiophènes uniques par microscopie à effet tunnel (STM). Ces fils moléculaires sont obtenus par une polymérisation sur surface Au(111). Une étude spectroscopique (STS) est réalisée sur les fils adsorbés sur la surface. Cette étude met en évidence un phénomène de confinement électronique pour deux conformations de fils différentes (linéaire et cyclique). Ces molécules uniques sont ensuite suspendues par manipulation entre la pointe et la surface du STM pour obtenir une jonction moléculaire. Les propriétés de transport de cette jonction sont étudiées mettant notamment en évidence l’influence sur la conductance des orbitales moléculaires du fil, et des contraintes mécaniques. Enfin cette thèse présente une expérience inédite d’émission de photons de la jonction. Cette étude permet de détecter la fluorescence d’une molécule unique directement connectée à deux électrodes. / This thesis presents a study on electronic and optoelectronic properties of polythiophene molecular wires by scanning tunneling microscopy (STM). First, molecular wires are synthesized on a Au(111) surface . A spectroscopic study (STS) is realized on these molecular wires adsorbed on the surface. This study shows phenomena of electronic confinement for two different wire conformations (linear and cyclic). Then, by manipulation we manage to suspend a single polythiophenes wire between the tip and the surface of the STM. The transport properties of this molecular junction are investigated. We show that molecular orbitals of the wire are involved in the electronic transport. We observe an influence of the mechanical stress on the conductance, too. Finally, this thesis presents an original experiment of the photon emission of this molecular junction. With this study, we manage to detect the fluorescence of a single molecule directly bridging metallic electrodes.

L’imagerie infrarouge refroidie est portée par une demande forte pour des applications dans les secteurs militaire, industriel et spatial. Les enjeux actuels de ce marché sont le fonctionnement à haute température et la fonctionnalisation spectrale des détecteurs.Ces enjeux peuvent être adressés grâce à l’utilisation de résonateurs optiques et leur faculté à concentrer le champ électromagnétique. Ce travail de thèse montre comment des résonateurs plasmoniques peuvent être intégrés dans la filière HgCdTe.La théorie temporelle des modes couplés a été utilisée, de manière analytique, pour optimiser à travers la condition de couplage critique, l’absorption dans un résonateur plasmonique chargé par un semiconducteur. La conception d’une photodiode HgCdTe ultramince plasmonique est ensuite détaillée. Elle repose sur l’utilisation d’un mode optique résultant du couplage entre un mode plasmon de surface et un mode gap plasmon de cavité / The market for cooled infrared imaging technologies is growing fast due to a range of applications covering military, commercial and space. Current research for innovative systems focuses on high operating temperature and multispectral detectors.To achieve these aims, optical resonators can be used to concentrate electromagnetic fields in thin absorbing media. This thesis investigates the possibility of using plasmonic resonators for HgCdTe photodetection.Temporal coupled-mode theory is used to optimise analytically the absorption in a plasmonic resonator incorporating an absorbing semiconductor subject to the critical coupling condition. A design of a thin plasmonic HgCdTe diode is then described. This includes a hybrid plasmonic mode arising from the coupling between a surface plasmon and a cavity gap-plasmon mode

Ces travaux portent sur l'insertion de résonateurs en anneau de silicium dans des boucles d’oscillateurs optoélectroniques (OEO) pour la génération de signaux micro-ondes à faible bruit de phase et constituent une contribution à la future intégration complète des systèmes OEO en photonique silicium. L'orientation de l'application qui a été explorée a été d'évaluer la performance de ces systèmes pour la détection de variations d’indice optique en volume. Deux configurations différentes de résonateurs en anneau de silicium à base d'OEO ont été proposées et démontrées : des OEO à base de résonateurs en anneau silicium millimétriques et des OEO accordables à base d’anneaux plus compacts et d'un schéma spécifique de réinjection de porteuse optique.Dans la première approche, le signal optique est utilisé comme porteuse optique, qui est modulée par un modulateur d'intensité qui produit un ensemble de deux bandes latérales dans le domaine optique, tandis que le résonateur en anneau génère un peigne optique qui agit comme un filtre optique, transposant son intervalle spectral libre (ISL) dans le domaine micro-onde. Par le battement des deux raies optiques adjacentes dans un photodétecteur, l’information est ainsi traduite dans le domaine RF. La contribution de notre travail a été de démontrer que la réalisation de résonateurs millimétriques (environ 6mm) en photonique silicium était une approche viable et intéressante pour la réalisation directe d'OEO. Dans les configurations étudiées, les résonateurs en anneau SOI ont été optimisés pour satisfaire la cible requise d'un ISL d’environ 15 GHz et un facteur de qualité optique supérieur à 10^5. Les résultats expérimentaux obtenus ont démontré la viabilité et la stabilité de l'approche proposée, tandis qu’un niveau de bruit de phase de -100dBc/Hz à un décalage de 100 kHz par rapport à la porteuse et une capacité de détection du système d’environ 3,72 GHz/RIU ont été quantifiés pour une variation de l'indice de réfraction comprise entre 1,572 et 1,688, en bon accord avec les résultats des simulations.En complément de cette première étape, nous avons abordé la question très importante de l'accordabilité de la fréquence du signal hyperfréquence généré. À cette fin, nous avons proposé, conçu, puis développé et testé une configuration d’OEO originale, basée sur l'utilisation d'une seule bande de modulation et d'un mécanisme de réinjection de la porteuse optique du laser de la boucle. Dans ce schéma, le signal oscillant est créé par le battement entre le faisceau laser et une bande latérale unique du signal de modulation sélectionnée par un résonateur en anneau. Dans l'implémentation que nous avons réalisée, un résonateur photonique SOI avec un ISL de 77 GHz et un facteur de qualité optique à 8,1×10^4 a été utilisé. En modifiant la fréquence du laser tout en conservant une longueur d'onde de résonance du résonateur fixe, une accordabilité de 5,8 GHz à 18,2 GHz a été démontrée, qui est seulement limitée par le fonctionnement de l'amplificateur RF utilisé dans les expériences réalisées. Parallèlement, un niveau de bruit de phase de -115 dBc/Hz à une fréquence de décalage de 1 MHz a été obtenu pour tous les signaux générés, démontrant la possibilité de créer des fréquences d'oscillation élevées avec le même niveau de bruit de phase. Nous avons ensuite appliqué cette approche à la détection de l'indice de réfraction en volume et démontré une sensibilité de détection de 94350 GHz/RIU et une limite de détection d'indice de 10^-8 RIU. Au-delà de ces résultats expérimentaux, l'apport de cette seconde approche apporte une solution simple et flexible au problème de la génération de signaux hyperfréquences à fréquences variables à la demande, et ouvre des perspectives d'application très riches.Tous les résultats de la thèse contribuent à la question de l'intégration des OEO sur puces silicium et permettent d'anticiper diverses applications dans le domaine des communications et des capteurs. / This work focuses on the insertion of silicon ring resonators into the loops of optoelectronic oscillators (OEO) for the generation of low phase noise microwave signals and is a contribution to the future full integration of OEO systems on single silicon chips. The application orientation that was explored was to evaluate the performance of these systems for bulk optical index detection. Two different configurations of silicon ring resonators based OEO have been proposed and demonstrated: OEO based on millimeter-long silicon ring resonators and tunable OEO based on more compact silicon ring resonators and a specific optical carrier reinjection scheme.In the first approach, the optical signal is used as an optical carrier, which is modulated by an intensity modulator that produces a set of sidebands in the optical domain, while the ring resonator generates an optical comb that acts as an optical filter, translating its Free Spectral Range (FSR) into the microwave domain. By the beating of two adjacent optical comb lines in a photodetector, the optical spectral lines are then translated into the RF domain. The contribution of our work has been to demonstrate that the realization of millimeter resonators (about 6mm) in silicon photonics was a viable and interesting approach for the direct realization of OEO. In the investigated configurations, SOI ring resonators were optimized to satisfy the required target of a FSR of around 15GHz and an optical quality factor above 10^5. The demonstrated experimental results showed the viability and the stability of the proposed approach, while phase noise level of -100dBc/Hz at an offset of 100 kHz from carrier was obtained and sensing capability of the studied system was quantified to around 3.72 GHz/RIU for a refractive index variation in the range of 1.572 to 1.688, in good agreement with simulation results.In a complementary direction to this first step, we addressed the very important issue of the tunability of the frequency of the microwave signal generated. To this end, we proposed, designed, and then developed and tested an original OEO configuration based on the use of a single modulation band and a mechanism for reinjection of the optical carrier from the loop laser. In this scheme, the oscillation signal is created under the beating between the laser light beam and a single modulation signal sideband selected by an add-drop ring resonator working as an effective optical bandpass filter. In the implementation we have carried out, a SOI photonic resonator with a FSR of 77 GHz and an optical quality factor at 8.1×10^4 was used. By changing the laser frequency while keeping a fixed resonator resonance wavelength, a tunability from 5.8GHz to 18.2GHz was demonstrated, being only limited by the working operation of the RF amplifier used in the carried out experiments. Meanwhile, a phase noise level of -115 dBc/Hz at 1MHz offset frequency was obtained for all generated signals, showing the possibility of creating high oscillation frequencies with the same phase noise level. We then applied this approach for bulk refractive index sensing application and demonstrated a sensing sensitivity of 94350GHz/RIU and an index limit of detection of 10^-8 RIU by considering a signal resolution of 1MHz. Beyond these experimental results, the contribution of this second approach provides a simple and flexible solution to the problem of generating microwave signals with variable frequencies on demand, and opens up very rich application perspectives.All the results of the thesis contribute to the question of the integration of OEOs on silicon chips and make it possible to anticipate various applications in the field of communications and sensors.

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier des lasers semi-conducteur issus de la plateforme d’intégration III-V sur Si et présentant un faible bruit d’intensité relatif (RIN) pour le transport de signaux RADAR par voie optique. Nous cherchons à obtenir des lasers de comportement dynamique dit de «Classe A», i.e. avec une réponse dynamique sans oscillations de relaxation. Dans ce cas, il a été précédemment montré qu’un tel comportement dynamique présente un RIN limité au bruit de grenaille sur une large bande de fréquences et est obtenu quand la durée de vie des photons dans la cavité est grande devant la durée de vie des porteurs dans la zone active. La plateforme photonique sur silicium est alors intéressante car elle permet de réaliser des cavités longues grâce aux guides optiques offrant de faibles pertes de propagation, i.e. de l’ordre du dB/cm. En première approche, nous avons étudié des lasers dont la cavité de longueur centimétrique est composée d’une partie active fournissant le gain optique et d’une partie passive composée de guide en silicium à faibles pertes de propagation. Nous avons proposé différentes optimisations des pertes optiques intra-cavité ainsi que différentes solutions de filtrage spectral à grande finesse nécessaire à une oscillation laser monomode. La seconde approcheétudiée repose sur le filtrage du RIN d’un laser hybride de longueur millimétrique en exploitant les effets de saturation du gain optique dans un amplificateur optique à SC (SOA). Nous avons présenté un modèle décrivant les différents mécanismes altérant le bruit du laser amplifié par un SOA. Une étudeexpérimentale a permis de mettre en évidence la réduction du RIN d’un laser hybride III-V sur silicium, allant jusqu’à 15 dB pour des fréquences allant jusqu’à quelques GHz. La dernière approche explorée dans cette thèse repose sur la conception de lasers DFB hybride III-V sur silicium à très haut facteur de qualité. L’utilisation d’un réseau de Bragg à pas variable permet de réduire les pertes radiatives, usuellement importantes dans les lasers DFB, et d’obtenir une cavité de facteur de qualité de l’ordre de quelques millions. Un premier composant réalisé présente un facteur de qualité de 65 000. / The objective of the present thesis is to investigate new laser architectures with low Relative Intensity Noise (RIN) using the Silicon Photonics integration platform. We intend to reach “class-A” dynamics, in which relaxation oscillations are eliminated. In this conditions, lasers with class-A dynamics exhibit shot-noise limited RIN over a wide frequency bandwidth, typically from 100 MHz to 20 GHz. Such behaviour can be obtained with high-Q laser cavities, i.e with long cavities or with ultra-low losses cavities. The silicon photonics platform is a good candidate for the desired dynamical behaviour as it makes possible the implementation of long cavities (ten’s of cm) based on low losses silicon waveguides (dB/cm). Three different approaches have been considered in the present work. In the first approach, we have developed centimetre long lasers, consisting of an active section providing the optical gain coupled to a passive section made with low losses silicon waveguides. We proposed different approaches to optimize the intra-cavity optical losses, and different architectures of high finesse optical filters allowing simultaneously single-mode operation and high side mode suppression. The second approach consists on filtering the laser RIN by taking advantage of the coherent population oscillations effects in a SC Optical Amplifier (SOA). We proposed a model for describing the different mechanisms altering the RIN of the amplified laser. We demonstrated 15 dB RIN reduction for frequencies up to a few GHz, using a hybrid III-V on Si laser and a “classical” SOA. The last approach explored in the present thesis is based on the use of hybrid III-V on silicon DFB lasers with a high quality factor. Using Silicon Bragg grating with a variable pitch can reduce the radiative losses, usually important in DFB lasers. In this case, we can obtain optical cavities with few millions quality factor, leading to few ns photon lifetime. We realize a first design of Si Bragg grating with a Q factor of 65 000.

La distribution par fibre optique de signaux de type « ultra-wideband (UWB)» requiert le développement de nouvelles technologies photoniques qui seront le sujet d'étude de cette thèse. Nous commençons avec un démonstration expérimentale d'une technique de sculpture d'impulsions qui offre une solution économique et à faible consommation de puissance pour les systèmes UWB . Dans cette étude, nous procédons à l'apodisation de deux réseaux Bragg identiques avec une variation de période linéaire qui sont placés aux deux entrées d'un photodétecteur balancé. L'apodisation est réalisée par l'application d'un profile de température à l'aide d'éléments résistif de petite dimensions, ce qui permet une consommation énergétique réduite et une bonne résolution spectrale. Le filtrage spectral d'une source laser puisée suivi d'une conversion fréquence-temps par propagation dans une fibre optique standard permet de générer une impulsion UWB efficace d'un point de vue énergétique pour les communications à courte portée dans la bande spectrale de 3 a 10 GHz. Dans un deuxième temps, pour générer des signaux passe-bande à haute fréquence, nous avons utilisé un laser puisé à commutation de gain. Après la conversion optique/électrique des impulsions en utilisant des filtres optiques et RF appropriés, nous réussissons à générer des signaux large bande dans des bandes spectrales ayant des fréquences centrales de 25, 35 et 45 GHz. Nous examinons diverses configurations de filtres permettant cette conversion selon qu'il y ait ou non transmission dans une fibre optique. Finalement, nous démontrons la détection de signaux RF dans le domaine optique par le design et la fabrication de filtres adaptés. Notre récepteur utilise un modulateur de Mach-Zehnder pour faire la conversion électrique-optique et des filtres à base de réseau de Bragg comme filtres adaptés. Nous examinons la performance du récepteur pour deux conditions de polarisation différentes du Mach-Zehnder. Nous avons conçu des filtres adaptés pour ces deux cas et nous discutons de la performance résultant.

L'objectif de cette thèse est de réaliser un système radio-sur-fibre bidirectionnel fonctionnant dans la bande des fréquences millimétriques autour de 60 GHz. La solution proposée est basée sur l'utilisation d'une photodiode PIN en tant que mélangeur optoélectronique. Une étude théorique associée à une caractérisation non-linéaire et large bande de la photodiode a permis de modéliser le comportement mélangeur de la photodiode. Le modèle de photodiode obtenu a ensuite été utilisé pour optimiser les performances du mélangeur optoélectronique puis du système radio-sur-fibre complet. Des mesures expérimentales ont permis de vérifier la compatibilité du système proposé avec les spécifications du standard ECMA 387 proposé pour régir la création de réseaux locaux aux fréquences de 60 GHz, pour au moins les deux premiers débits proposés (394 Mb/s et 794 Mb/s).

Ce travail porte sur la réalisation d'un microspectromètre SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) incluant des compteurs de photons SNSPD (Superconducting Nanowire Single Photon Detector). Il met en œuvre un interféromètre intégré à guide d'onde en arête bouclé, en SiN, sous lequel sont disposés 24 nanofils supraconducteurs SNSPD en NbN échantillonnant les interférences au pas de 160nm, à une longueur d'onde centrée sur 1.55µm. La conception, l'étude des composantes optique et électronique, la fabrication et la caractérisation à 4.2K sont décrites, jusqu'à la mise en évidence d'une modulation de puissance lumineuse dans le guide conformément à la formation attendue d'interférences. Le SWIFTS-SNSPD constitue le premier dispositif optoélectronique supraconducteur à part entière, doublement intégré. Sa capacité unique d'échantillonnage direct de franges d'interférences ouvre de nombreuses perspectives, pour des applications allant de l'astrophysique aux télécoms.

La mesure de distance et la détection d'objets sont devenues essentielles dans de nombreux domaines tels que l'automobile ou la robotique, les applications médicales, les procédés industriels et agricoles, les systèmes de surveillance et de sécurité, etc. Dans le but d'améliorer les performances des dispositifs de télémétrie laser en terme de bruit et de diaphonie, une technique hétérodyne par mélange optoélectronique doit être utilisée. Par ailleurs, l'aspect système embarqué nécessite une réduction de l'encombrement et de la consommation à performances égales. L'intégration de mélangeurs optoélectroniques en technologie CMOS apporte donc une solution optimale à cette approche grâce à ses multiples avantages (intégration du circuit d'instrumentation sur la même puce, modèles bien connus, coût raisonnable, performances élevées,…). Ainsi cette thèse traitera de l'étude de mélangeurs optoélectroniques en technologie CMOS pour la télémétrie embarquée haute résolution. Le premier chapitre de ce manuscrit présente les diverses technique de mesure de distance par télémétrie laser par et justifie le choix de la télémétrie laser par déphasage ainsi que le gain en performances lié à l'hétérodynage. Le second chapitre décrit les mélangeurs électriques et optoélectroniques ainsi que les propriétés nécessaires à leur réalisation. Quelques photodétecteurs y sont présentés au vu de la possibilité de les utiliser en mélangeurs optoélectroniques et d'une intégration potentielle en technologie CMOS. Les principales contraintes liées à l'intégration en technologie CMOS de photocapteurs utilisables en mélangeurs optoélectroniques, sont exposés dans la troisième partie. Les travaux de conception et d'optimisation des structures ainsi que les phases de simulations et de test y sont détaillés. Enfin, pour valider expérimentalement les études précédentes, le dernier chapitre présente la conception d'une chaîne de mesure multivoies pour une tête de photoréception CMOS matricée pour un télémètre laser embarqué haute résolution. / Distance measurement and object detection has become essential in many fields such as automotive and robotics, medical applications, industrial processes and farming systems, surveillance and security, etc.. In order to improve the performance of laser ranging devices in terms of noise and crosstalk, an optoelectronic heterodyne technique of mixing should be used. Moreover, the aspect of embedded system requires a reduction in the size and power consumption for the same performance. The integration of optoelectronic mixers in CMOS technology will provide an optimal solution to this approach through its many advantages (integrated instrumentation circuit on the same chip, well-known models, reasonable cost, high performance, ...). Thus this thesis will focus on the study of optoelectronic mixers in CMOS technology for high resolution, embedded laser range finding systems. The first chapter of this thesis discusses the various technique of distance measurement by laser ranging and justifies the choice of phase shift technique and the gain in performance related to heterodyning. The second chapter describes the electrical and optoelectronic mixers and the properties needed to develop them. Some photodetectors are presented given the opportunity to use optoelectronic mixers and a potential integration with CMOS technology. The main constraints to the integration of CMOS photosensors used in optoelectronic mixers are set out in Part III. The work of design and optimization of structures and phases of simulations and testing are detailed. Finally, to experimentally confirm the earlier studies, the final chapter presents the design of a measuring head for a multichannel photoreceptor CMOS for a high resolution laser range finder.