Ce travail est consacré à l'étude de plusieurs types de Systèmes confinés pour les électrons et/ou les photons. En particulier : (i) un nouveau type de nanocristaux semi- conducteurs est étudié pour obtenir une source efficace de photons uniques à température ambiante dans le domaine spectral du visible ; (ii) leur couplage avec des cavités à cristaux photoniques en nitrure de silicium est obtenu par plusieurs techniques de déposition. (iii) Enfin, le développement d'une technique d'excitation à deux photons pour les polaritons dans les microcavité semiconductrices est décrit dans la dernière partie du travail de thèse. La première partie du manuscrit étudie les propriétés d'émission d'un type particulier de nanocristaux semiconducteurs, appelé dots-in-rod, dans lesquels un cœur de séléniure de cadmium (CdSe) est entouré par une coquille en sulfure de cadmium (CdS) de forme allongée. Depuis les année 2000, il est bien connu que les nanocristaux semiconducteurs sont des sources de photons uniques à température ambiante. Cependant, les applications des nanocristaux sont affectées entre autre par deux caractéristiques de leur photoluminescence: le scintillement et l'émission non polarisée. Nous avons montré qu'il est possible de modifier l'émission des dots-in-rod en agissant sur leurs paramètres géométriques, c'est-à-dire le diamètre du cœur ainsi que l'épaisseur et la longueur de la coquille, aboutissant à la suppression du scintillement et à un degré élevé de polarisation linéaire des photons émis. Dans la deuxième partie, la thèse démontre la réalisation des cavités à cristaux photoniques en nitrure de silicium (Si3N4) pour le domaine spectral du visible. Le couplage de ces cavités avec des dot-in-rods a été étudié en régime de couplage faible et nous avons obtenu une modification de l'émission spontanée par effet Purcell. La possibilité d'obtenir le régime de couplage fort dans ce système est aussi discutée du point de vue théorique. Dans la dernière partie du manuscrit nous avons étudié des systèmes semiconducteurs tels que les microcavités et le micropiliers dans lesquels le régime de couplage fort exciton-photon donne naissance aux polaritons. Dans le cas de polaritons confinés, les interactions répulsives entre polaritons peuvent porter à un régime appelé polariton quantum blockade, dans le quel un seul polariton peut être excité dans la structure, ce régime est très prometteur pour la réalisation de sources à photons uniques basées sur les polaritons en cavité. Dans ce travail, nous développons une technique original et flexible basée sur une excitation résonante à deux photons pour attendre le polariton quantum blockade. Enfin, un nouveau régime d'émission appelé two-photon polariton laser est étudié toujours à la technique d'excitation résonante à deux photons.

Ce mémoire est consacré à l'étude du couplage lumière-matière dans des structures à base de GaN (semiconducteur à bande interdite directe). L'objectif de ce travail est la mise en évidence expérimentale du couplage fort exciton-photon dans des microcavités à base de GaN. Des difficultés liées à l'élaboration des nitrures nous ont contraint à effectuer deux études préliminaires : tout d'abord, la détermination des indices de réfraction d'AlN, GaN et AlGaN par ellipsométrie spectroscopique et par réflectivité, puis la caractérisation de miroirs de Bragg AlN/GaN et AlN/AlGaN. A partir des résultats obtenus, nous avons imaginé puis effectué le design de plusieurs structures de microcavités pour lesquelles le couplage fort lumière-matière était atteint théoriquement. Les microcavités ont ensuite été élaborées par épitaxie sous jets moléculaires sur substrat de silicium et nous les avons caractérisées par spectroscopie optique : réflectivité et photoluminescence à basse température, en fonction de l'angle d'incidence et de la position. Les expériences de réflectivité résolues en angle nous ont permis de mettre en évidence pour la première fois le régime de couplage fort dans une microcavité à base de GaN. La structure étudiée est une microcavité massive à base de GaN encastrée entre 4 alternances de couches diélectriques SiO2/Si3N4 formant le miroir haut et le substrat de silicium jouant le rôle du miroir bas. Le régime de couplage fort atteint dans cette structure est caractérisé par un dédoublement de Rabi de 31 meV persistant à une température de 77K, mais ne subsistant pas à température ambiante, à cause des élargissements induits par l'augmentation de la température. Finalement, nous avons proposé des microcavités massives ou à puits quantiques permettant théoriquement l'observation du régime de couplage fort à température ambiante. Ainsi, des dispositifs tels que le laser à polaritons, laser à très faible seuil, pourrait être envisagé.

A novel process for the fabrication of Long Range Surface Plasmon Polariton (LRSPP) waveguide based biosensors is presented herein. The structure of the biosensor is comprised of Au stripe waveguide devices embedded in thick CYTOP claddings with a SiO2 solvent diffusion barrier and etch-stop layer. The SiO2 layer is introduced to improve the end quality of Au waveguide structures, which previously deformed during the deposit of the upper cladding process and to limit the over-etching of CYTOP to create micro-fluidic channels. The E-beam evaporation method is adapted to deposit a thin SiO2 on the bottom cladding of CYTOP. A new micro-fluidic design pattern is introduced. Micro-fluidic channels were created on selective Au waveguides through O2 plasma etching. The presented data and figures are refractive index measurements of different materials, thickness measurements, microscope images, and AFM images. Optical power cutback measurements were performed on fully CYTOP-cladded symmetric LRSPP waveguides. The end-fire coupling method was used to excite LRSPP modes with cleaved polarization maintaining (PM) fibre. The measured mode power attenuation (MPA) was 6.7 dB/mm after using index-matched liquid at input and output fibre-waveguide interfaces. The results were compared with the theoretical calculations and simulations. Poor coupling efficiency and scattering due to the SiO2 are suspected for off-target measurements.

A novel process for the fabrication of Long Range Surface Plasmon Polariton (LRSPP) waveguide based biosensors is presented herein. The structure of the biosensor is comprised of Au stripe waveguide devices embedded in thick CYTOP claddings with a SiO2 solvent diffusion barrier and etch-stop layer. The SiO2 layer is introduced to improve the end quality of Au waveguide structures, which previously deformed during the deposit of the upper cladding process and to limit the over-etching of CYTOP to create micro-fluidic channels. The E-beam evaporation method is adapted to deposit a thin SiO2 on the bottom cladding of CYTOP. A new micro-fluidic design pattern is introduced. Micro-fluidic channels were created on selective Au waveguides through O2 plasma etching. The presented data and figures are refractive index measurements of different materials, thickness measurements, microscope images, and AFM images. Optical power cutback measurements were performed on fully CYTOP-cladded symmetric LRSPP waveguides. The end-fire coupling method was used to excite LRSPP modes with cleaved polarization maintaining (PM) fibre. The measured mode power attenuation (MPA) was 6.7 dB/mm after using index-matched liquid at input and output fibre-waveguide interfaces. The results were compared with the theoretical calculations and simulations. Poor coupling efficiency and scattering due to the SiO2 are suspected for off-target measurements.

Les deux grands défis actuels pour l'optoélectronique térahertz (THz) sont d'une part, le besoin de miniaturiser les sources de rayonnement térahertz, et d'autre part, la nécessité d'améliorer leurs performances actuelles. Parmi les sources de rayonnement térahertz existantes, le laser à cascade quantique (QCL) est à ce jour le meilleur candidat pour remplir ces critères. Afin d'y parvenir, il faut cependant apporter des solutions aux verrous qui limitent la miniaturisation des QCLs THz. Le premier est d'ordre fondamental, et tient au fait que les dimensions des cavités photoniques usuelles sont soumises à la limite de diffraction. Le second verrou provient du fait que la recherche de compacité des sources se traduit généralement par la détérioration de leur puissance optique de sortie et de la directionnalité du faisceau laser. Une nouvelle famille de résonateurs THz métal - semiconducteur - métal (M-SC-M) est présentée de façon théorique et expérimentale. Ces dispositifs, inspirés des oscillateurs électroniques LC, ont permis d'atteindre un volume effectif record Veff=LxLyLz/λeff=5.10−6, où Lx,y,z sont les dimensions de la cavité et λeff est la longueur d'onde de résonance dans le cœur du résonateur (GaAs). Ces résonateurs hybrides photoniques-électroniques ont la particularité d'être libérés de la limite de diffraction dans les trois dimensions spatiales, et bénéficient pour la première fois de toutes les fonctionnalités habituellement réservées aux dispositifs électroniques. Une application aux polaritons inter-sousbandes THz a permis d'obtenir des résultats à l'état de l'art, démontrant d'une part que ces résonateurs hybrides conservent leurs propriétés photoniques, et d'autre part qu'ils permettent un couplage lumière-matière fort. En parallèle de ce travail, la faisabilité d'un QCL THz avec une région active extrêmement fine est démontrée expérimentalement. Une étude systématique des caractéristiques du laser en fonction de l'épaisseur de la région active (Lz) a permis la réduction de Lz=10 μm (≈λeff/2,7) jusqu'à la valeur record de Lz=1,75 μm (≈ λeff/13) dans une cavité Fabry-Pérot M-SC-M. Malgré l'augmentation des pertes optiques, l'effet laser est obtenu au-dessus de la température de l'azote liquide (78 K) pour la région active la plus fine. Ces résultats sont très encourageants pour le développement de régions actives plus performantes, et permettent d'envisager le développement de micro-cavités lasers avec des volumes effectifs extrêmement sub-longueur d'onde. Les perspectives de ce travail de thèse s'étendent de l'électrodynamique quantique en cavité au nanolaser. Les applications potentielles varient énormément en fonction de la configuration des résonateurs hybrides. Ils peuvent être utilisés comme des éléments passifs pour la détection, ou encore comme des éléments actifs tels que des antennes. Enfin, l'utilisation d'une région active fine en combinaison avec un résonateur hybride devrait permettre d'obtenir un QCL THz ultra-compact libéré de la limite de diffraction, tout en introduisant pour la première fois la possibilité d'accorder la fréquence du laser en adaptant l'impédance complexe équivalente de la combinaison d'éléments LC.

Ce travail est consacré à l'étude des fluides quantiques de polaritons de microcavités semi-conductrices et en particulier à la génération de solitons, de demi-solitons et de réseaux de vortex. Nous avons développé un dispositif expérimental permettant la génération et l'observation de solitons sombres dans un fluide de polaritons. Nous observons les profils de densité et de phase caractéristiques des solitons, et étudions leurs propriétés de stabilité. Nous montrons expérimentalement que l'utilisation d'une pompe polarisée linéairement mène à la formation de demi-solitons, grâce au champ magnétique effectif existant en présence des deux populations de spin. Après avoir caractérisé les demi-solitons en densité et en phase, une tomographie complète du système est effectuée pour extraire l'information stockée dans le pseudospin. Ces études nous permettent de formuler une analogie formelle entre les demi-solitons et les monopoles magnétiques. Enfin, nous nous intéressons à des techniques de piégeage de vortex. Nous mettons à profit l'utilisation de masques métalliques pour créer des puits de potentiels piégeant les vortex générés hydrodynamiquement lors de l'écoulement du fluide sur un défaut à basse densité de polaritons. Nous utilisons ces masques pour réaliser des réseaux géométriques de vortex et d'antivortex à basse densité de polaritons dont la forme et la taille sont contrôlables. L'étude des effets d'interaction polariton-polariton à haute densité menée grâce à un dispositif expérimental à plusieurs faisceaux d'excitations nous permet d'observer la déformation et la destruction du réseau dues à l'annihilation des paires vortex-antivortex.

This dissertation focuses on near-field radiative transfer, which can be defined as the discipline concerned with energy transfer via electromagnetic waves at sub-wavelength distances. Three specific subjects related to this discipline are investigated, namely nearfield thermal radiation, nanoscale-gap thermophotovoltaic (nano-TPV) power generation and optical characterization. An algorithm for the solution of near-field thermal radiation problems in one-dimensional layered media is developed, and several tests are performed showing the accuracy, consistency and versatility of the procedure. The possibility of tuning near-field radiative heat transfer via thin films supporting surface phononpolaritons (SPhPs) in the infrared is afterwards investigated via the computation of the local density of electromagnetic states and the radiative heat flux between two films. Results reveal that due to SPhP coupling, fine tuning of near-field radiative heat transfer is possible by solely varying the structure of the system, the structure being the film thicknesses and their distance of separation. The coexistence of two regimes of near-field thermal radiation between two thin films of silicon carbide is demonstrated via numerical simulations and an asymptotic analysis of the radiative heat transfer coefficient. The impacts of thermal effects on the performances of nano-TPV power generators are investigated via the solution of the coupled near-field thermal radiation, charge and heat transport problem. The viability of nano-TPV devices proposed so far in the literature, based on a tungsten radiator at 2000 K and indium gallium antimonide cell, is questioned due to excessive heating of the junction converting thermal radiation into electricity. Using a convective thermal management system, a heat transfer coefficient as high as 105 Wm-2K-1 is required to maintain the junction at room temperature. The possibility of characterizing non-intrusively, and potentially in real-time, nanoparticles from 5 nm to 100 nm in size via scattered surface wave is explored. The feasibility of the characterization framework is theoretically demonstrated via a sensitivity analysis of the scattering matrix elements. Measurements of the scattering matrix elements for 200 nm and 50 nm gold spherical particles show the great sensitivity of the characterization tool, although an ultimate calibration is difficult with the current version of the experimental set-up.

L'interaction entre la lumière et la matière est au coeur de la physique quantique depuis ses origines. Nous nous intéressons ici à l'interaction entre les excitations élémentaires d'une hétérostructure semi-conductrice (excitons de boîtes et de puits quantiques) et le mode du champ d'une cavité Fabry Perot fibrée. Nous présentons une caractérisation des propriétés géométriques et spectrales des modes de la micro-cavité fibrée plan-concave. Cette dernière est entièrement ajustable et cette nouvelle approche nous permet d'étudier plusieurs régimes de l'électrodynamique quantique d'émetteurs solides en cavité. Pour une boîte quantique unique dans une micro-cavité fibrée nous obtenons un couplage à la limite du régime de couplage fort et une coopérativité supérieure à l'unité, traduisant le potentiel d'un tel système pour des applications dans le domaine de l'information quantique. Pour un puits quantique dans une micro-cavité fibrée, le couplage obtenu est comparable a celui observé dans des structures intégrées et permet d'étudier plusieurs aspects de la physique des polaritons confinés optiquement. Ces derniers, issus du couplage fort d'un exciton et d'un photon, possèdent un temps de vie relativement long qui permet d'étudier les propriétés thermodynamiques du système. Le rôle du désordre dans le puits quantique est explicité. Cela nous permet d'interpréter la non-linéarité de la photoluminescence des polaritons avec la puissance de pompe en termes de transition de Dicke. Enfin, le confinement optique des polaritons, permet d'étudier le rôle des interactions entre polaritons et ouvre la voie vers un régime de blocage quantique de polariton.

A novel process for the fabrication of Long Range Surface Plasmon Polariton (LRSPP) waveguide based biosensors is presented herein. The structure of the biosensor is comprised of Au stripe waveguide devices embedded in thick CYTOP claddings with a SiO2 solvent diffusion barrier and etch-stop layer. The SiO2 layer is introduced to improve the end quality of Au waveguide structures, which previously deformed during the deposit of the upper cladding process and to limit the over-etching of CYTOP to create micro-fluidic channels. The E-beam evaporation method is adapted to deposit a thin SiO2 on the bottom cladding of CYTOP. A new micro-fluidic design pattern is introduced. Micro-fluidic channels were created on selective Au waveguides through O2 plasma etching. The presented data and figures are refractive index measurements of different materials, thickness measurements, microscope images, and AFM images. Optical power cutback measurements were performed on fully CYTOP-cladded symmetric LRSPP waveguides. The end-fire coupling method was used to excite LRSPP modes with cleaved polarization maintaining (PM) fibre. The measured mode power attenuation (MPA) was 6.7 dB/mm after using index-matched liquid at input and output fibre-waveguide interfaces. The results were compared with the theoretical calculations and simulations. Poor coupling efficiency and scattering due to the SiO2 are suspected for off-target measurements.

In this work we studied the effects of coherent laser in a system formed by a quantum dot (QD) in a nanocavity. Initially we investigated the case where the energy of an éxciton are in resonance with the cavity mode and we vary the frequency of the laser. During our simulation we have used pulsed and continuos laser. We consider only the éxciton state of the QD, and in situations where both the laser and the cavity mode are close to resonance, allowing us to use the rotating wave approximation. The QD was treated as a two-level system and the cavity containing a maximum of four photons. For this study we used the Jaynes-Cummings model with an extra term related to the external pulse, which was used to manipulate quantum states. This was done with the help of diagonalization of the approximated Hamiltonian and searching for anticrossings in its energy spectrum. Then we use a continuous laser and the technique of calculating the average occupational each state to do a better mapping of the parameter values required to make the manipulation of quantum states. We found that the system can be manipulated using the process of two or more photons, and the energies of these photons could be estimated using a mapping procedure developed in this dissertation. / Neste trabalho estudamos os efeitos da incidência de um laser coerente num sistema formado por um ponto quântico (PQ) no interior de uma nanocavidade. Inicialmente investigamos o caso em que a energia de um éxciton formado no PQ está em ressonância com um modo da cavidade e variamos a frequência do laser incidente. Usamos laser contínuo e pulsado em nossas simulações. O ponto quântico foi tratado como um sistema de dois níveis e consideramos que a cavidade contém no máximo quatro fótons. Para este estudo foi utilizado o modelo de Jaynes-Cummings com acréscimo de um termo relacionado com o pulso externo usado para manipular os estados quânticos, que foi feito com o auxílio da diagonalização do Hamiltoniano aproximado e procurando por anticruzamentos no seu espectro de energia. Consideramos apenas o estado de éxciton no PQ, e situações em que tanto o laser como o modo da cavidade estão próximos à energia de ressonância, o que nos permitiu usar a aproximação de ondas girantes. Utilizamos um laser contínuo e calculamos a média ocupacional de cada estado para fazer um melhor mapeamento dos valores dos parâmetros necessário para realizar a manipulação dos estados quânticos. Encontramos que o sistema pode ser manipulado usando processo de dois ou mais fótons, sendo que as energias destes fótons podem ser estimadas usando um procedimento de mapeamento desenvolvido nesta dissertação. / Mestre em Física