Dans ce manuscrit nous décrivons des études originales sur les propriétés photophysiques des nanotubes de carbone monoparois réalisées à l'échelle de la molécule unique. Nous nous sommes concentrés sur deux problématiques : l'effet du remplissage des nanotubes par de l'eau sur leurs propriétés de photoluminescence (PL) et la création de complexes multi-excitoniques en régime de forte excitation laser. Dans ce but nous avons utilisé une combinaison de microscopie, de spectroscopie et de mesures de déclin de PL. Nos résultats montrent pour des nanotubes de différents diamètres un décalage vers le rouge des énergies d'émission pour les nanotubes remplis d'eau. De plus, des déclins de PL biexponentiels sont obtenus pour des nanotubes individuels (6,4) vides et remplis d'eau. Les temps de déclin caractéristiques de ces deux espèces de nanotubes sont distincts, avec une réduction de la composante courte pour les nanotubes remplis. Ces résultats sont expliqués par une augmentation de la constante diélectrique dans les nanotubes remplis d'eau. Notre résultat le plus conséquent a été l'observation de la génération de trions dans des nanotubes non dopés en utilisant des moyen tout optiques. L'émission du trion apparaît dans les spectres de PL comme une bande latérale décalée vers le rouge. Basé sur nos observations expérimentales, nous proposons le modèle de génération du trion suivant lequel dans un régime multiexcitonique les interactions d'annihilation exciton-exciton créent des porteurs de charge qui sont piégés dans les fluctuations de potentiel électrostatique induites par les inhomogénéités de l'environnement. L'absorption subséquente d'un photon amène à la formation d'un trion localisé sur les charges piégées. / In this dissertation we report on original experimental investigations of the photophysical properties of individual single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) at the single molecule level. We focused on two problems: the effect of water-filling nanotubes on their photoluminescence (PL) properties and generation of multi-excitonic complexes in regimes of strong laser excitation. To do so we used a combination of microscopy, PL spectroscopy and PL time decay measurements. Our results show, for different nanotube diameters, a red-shift of the PL emission energy for water-filled nanotubes. Furthermore, biexponential PL time decay behaviors are obtained for individual water-filled and empty (6,4) SWCNTs. The characteristic decay times for both species of nanotubes are distinct, with a reduction of the short component in water-filled SWCNTs. These results are explained by an increase of the dielectric constant for water-filled nanotubes. Our most consequential experimental result was the observation of all optical trion generation in undoped nanotubes. Trion emission appears in the PL spectrum as a red-shifted sideband. Based on our experimental observations, we propose a trion generation model according to which, at a multiexcitonic regime, exciton-exciton annihilation interactions create charge carriers that are transiently trapped at electrostatic potential fluctuations induced by the inhomogeneities of the environment. Subsequent photon absorption leads to trion formation localized at the trapped carriers.

Lithium niobate (LiNbO3) is a human-made crystalline which is widely used in modern photonics due to its useful properties. In recent years, there has been significant progress in the development of lithium niobate on insulator (LNOI) technology, realizing a fully functional photonic integrated circuits, thanks to its capabilities in both electro-optics and second-order optical nonlinearity. To integrate laser source and amplifier onto the photonic integrated chips, rare-earth-ion doping has been considered while traditional laser source is difficult to integrate on chip. Among the rare-earth ions, erbium ions can provide laser source at 1550nm, which can meet the requirements of high-speed telecommunication band. In this thesis, we investigated a recent-made erbium-implanted LNOI sample through setting up a homebuilt microscope system. By exciting the erbium-implanted area with 980nm continuous wave laser, the emission light around 1550nm was collected and measured. Developing the setup with an automatic scanning code, the photoluminescence response of the implanted area on the sample was mapped. Conclusively, the investigation of the implanted samples demonstrated that the erbium-ion emitters could emit measurable photoluminescence signal around 1550 nm wavelength in spite of background noise and notably at room temperature. These results demonstrated the capability of the designed microscope while still need to be improved in terms of detectors sensitivity and signal to noise ratio. It also revealed the promising implantation of active Er ions into LNOI chips conveying the fabrication of Er photon sources on thin film lithium niobate in next step. / Lithiumniobat (LiNbO_3) är en konstgjord kristall som är allmänt använd inom modern fotonik på grund av dess användbara egenskaper. Under de senaste åren har det skett betydande framsteg inom utvecklingen av teknologin för litiumniobat på isolator (LNOI), vilket har resulterat i fullt fungerande fotoniska integrerade kretsar, tack vare dess förmågor inom både elektrooptik och optisk icke-linjäritet av andra ordningen. För att integrera laserskälla och förstärkare på de fotoniska integrerade kretsarna har överväganden gjorts om tillsats av sällsynta jordartsmetaller, eftersom det är svårt att integrera traditionella laserskällor på kretsar. Bland de sällsynta jordartsmetalljonerna kan erbiumjoner fungera som laserskälla vid 1550 nm, vilket uppfyller kraven för höghastighetstelekommunikationsbandet. I denna avhandling undersökte vi nyligen tillverkat ett LNOI-prov som hade implanterats med erbiumjoner genom att bygga upp ett hemgjort mikroskopsystem. Genom att excitera det erbium-implanterade området med en 980 nm kontinuerlig våglaser samlades och mättes utstrålningen vid 1550 nm. Genom att utveckla installationen med en automatisk skanningskod kartlades fotoluminescensresponsen hos det implanterade området på provet. Sammantaget visade undersökningen av de implanterade proverna att erbiumjonemitterare kunde avge mätbara fotoluminescenssignaler vid en våglängd omkring 1550 nm trots bakgrundsbuller och framför allt vid rumstemperatur. Dessa resultat bekräftade mikroskopets kapacitet, även om förbättringar behövs vad gäller detektorns känslighet och signal-till-brusförhållandet. De avslöjade också den lovande implanteringen av aktiva Er-joner i LNOI-kretsar och möjligheten att tillverka Er-fotonkällor på tunna filmer av litiumniobat i nästa steg.