Dans les années 80-90 la physique et les applications des transitions intersousbandes ont connu un essor remarquable. Il reste aujourd'hui deux frontières à explorer : l'extension vers les grandes longueurs d'onde du domaine THz et celle vers le proche infrarouge. Pour atteindre le domaine spectral des télécommunications par fibre optique, il faut disposer d'hétérostructures présentant une discontinuité de potentiel élevée. Les hétérostructures de GaN/AlN, étudiées dans cette thèse, ont une discontinuité de potentiel en bande de conduction voisine de 1,75 eV et sont aujourd'hui les candidats les plus sérieux pour le développement de composants optoélectroniques unipolaires à 1,3-1,55 micron.<br />Ce travail de thèse porte sur une étude expérimentale et théorique des transitions intersousbandes dans des puits quantiques et boîtes quantiques de GaN/AlN épitaxiés par jets moléculaires sur substrat saphir (0001). Je présente les résultats des caractérisations optiques (spectroscopie à transformée de Fourier et de photoluminescence) et structurales (diffraction des rayons-X, microscopie électronique à transmission) des échantillons et je montre également la modélisation du confinement quantique dans ces hétérostructures. Les effets dus au dopage sont discutés. Je me focalise ensuite sur l'étude du couplage entre deux puits séparés par une barrière ultra-mince et j'aborde la conception d'un modulateur électro-optique et d'un laser à fontaine quantique basés sur des puits couplés. Enfin, je présente mes résultats sur l'absorption intrabande de boîtes quantiques GaN/AlN aux longueurs d'ondes des télécommunications ainsi que les premières applications à la photodétection infrarouge.

Mécanismes de formation des boîtes quantiques semiconductrices, application aux nanostructures II-VI (puits et boîtes) et étude de leurs propriétés optiques Ce travail présente un modèle de croissance hétéroépitaxiale à l'équilibre mettant en évidence les principaux paramètres qui gouvernent la relaxation des contraintes. Le mode effectif de croissance résulte de la compétition entre la relaxation plastique (dislocations à l'interface) et l'élastique (îlots en surface). Dans les semiconducteurs II-VI, le faible coût en énergie à former des dislocations favorise la relaxation plastique. Nous avons par conséquent développé une procédure de croissance qui court-circuite la relaxation plastique (grâce à l'abaissement du coût en énergie de surface pour créer des facettes) et induit donc la formation de boîtes quantiques CdTe sur Zn(Mg)Te. Celles-ci sont étudiées en diffraction d'électrons en incidence rasante, microscopie à force atomique et, une fois encapsulées, spectroscopie optique. L'incorporation de magnésium dans les barrières améliore les propriétés optiques tant des boîtes que des puits grâce à un meilleur confinement des trous. Mots clefs : semiconducteurs II-VI, épitaxie par jets moléculaires, relaxation des contraintes, puits quantiques, boîtes quantiques, spectroscopie optique.

Une nouvelle génération de dispositifs électroniques et optoélectroniques combinant hautes performances et bas coût se profile grâce aux promesses des films à boîtes quantiques colloïdales (BQCs) et de leurs propriétés électriques et optiques uniques. Les BQCs sont des nanocristaux semi-conducteurs synthétisés en solution qui se comportent comme des atomes artificiels. Des progrès considérables ont été réalisés durant la dernière décennie pour développer une optoélectronique à base de films BQCs mais les performances des composants réalisés sont toujours limitées par un certain nombre de propriétés propres à ces milieux telles que leur granularité et la présence de ligands à la surface des nanocristaux. Un deuxième type de matériaux artificiels, les métamatériaux, suscite un intérêt considérable de la part de la communauté de la nano-optique en raison des perspectives qu'ils offrent pour surmonter la limite de diffraction, réaliser des capes d'invisibilités et des indices de réfraction négatif en optique. Cependant, un certain nombre des applications potentielles des métamatériaux optiques se heurtent à leurs pertes élevées et au manque de fonctionnalités actives contrôlées électriquement.Bien que les films BQCs et les métamatériaux soient étudiés de façon indépendante et associés à deux champs de recherche distincts, leurs propriétés ont beaucoup d'éléments en commun puisqu'elles sont dans les deux cas largement dictées par leur géométrie interne. Il paraît donc intéressant d'exploiter ces analogies et de voir si les difficultés rencontrées dans chaque discipline ne peuvent pas être surmontées en combinant les deux approches. Cette thèse se propose de jeter les premiers ponts entre films BQCs et métamatériaux et constitue une première tentative d'établir une synergie entre ces deux types de milieux artificiels.Dans un premier temps, nous étudions des réseaux de nanoantennes plasmoniques capables d'exalter la photoluminescence spontanée de BQCs et apportons de nouveaux éléments de compréhension à ces interactions. Ensuite, nous décrivons la fabrication et la caractérisation de LEDs à BQCs inorganiques et émission par le haut. Ces LEDs sont développées de façon à servir de plateforme pour la dernière partie de ce travail qui consiste à hybrider les films BQCs et les métamatériaux. Dans cette dernière partie, nous insérons les réseaux d'antennes plasmoniques étudiés précédemment dans l'architecture des LEDs et démontrons une nouvelle forme d'électroluminescence artificielle. Celle-ci se traduit par l'émission de lumière par des nanopixels discrets qui peuvent être arrangés de façon arbitrairement complexe afin de générer toute une gamme de fonctionnalités. D'autres avantages seront présentés comme une brillance accrue, une tension de seuil extrêmement basse, des longueurs d'ondes d'émission contrôlées par la géométrie et un contrôle total de la polarisation. Une série d'expériences visant à sonder les mécanismes à l’œuvre dans ce nouveau type de LEDs sera présentée.Ce travail illustre le très grand potentiel qu'il y a à combiner différentes classes de matière artificielle et suggère que bien d'autres opportunités découleront d'une vision unifiée des différents milieux composites développés en physique, chimie et ingénierie. / A next generation of electronic and optoelectronic devices with high performances and low cost is expected to take off with films of colloidal quantum dots (CQDs) thanks to their unique electrical and optical properties. CQDs are semiconducting nanocrystals synthesized in solution that behave as artificial atoms. Substantial progresses in CQD film-based optoelectronics has been made over the past decade, but the performances are still limited and governed by the merit and inherited properties of CQDs. Another type of artificial medium, metamaterials, is generating a considerable interest from the nano-optics community because of its promises for beating the diffraction limit, realizing invisible cloaks, and creating negative refractive of index at optical regime. However, many of the potential applications for optical metamaterials are limited by their losses and the lack of active functionalities driven by electricity.Although films of CQDs and metamaterials are studied independently and associated to two distinct fields, their properties are mainly determined by their inner geometry. In addition, the difficult hurdles from each field can be surmounted by cooperating with the other one. This dissertation establishes the first bridge to connect films of CQDs and metamaterials and is a first attempt at exploiting the synergy of different types of artificial media.Firstly, we study plasmonic nanoantenna arrays capable of enhancing the spontaneous photoluminescence of CQDs and provide new fundamental insight into these interactions. Secondly, we report the fabrication and characterization of the first inorganic top-emission infrared quantum dot light-emitting-diodes (QDLEDs). The diodes are developed to serve as a solid platform for studying the CQDs film/metamaterial hybrids. Finally, we insert the plasmonic nanoantenna arrays studied at the beginning of this thesis in our QDLEDs and demonstrate a novel form of electroluminescence in which light is emitted by discrete nanoscale pixels that than be arranged at will to form complex light emitting metasurfaces. Other advantages associated with our metamaterial QDLEDs will also be presented i.e. greatly enhanced brightness, extremely low turn-on voltage, emissive color tunability, and polarized electroluminescence. A series of controlled experiments to probe the operational mechanisms of metamaterial QDLED will be discussed.This demonstration illustrates the enormous synergy of combining different types of artificial matter and suggests that many other opportunities will arise by taking an unified view of the various artificial media developed in physics, chemistry and engineering.

Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique en vue d'applications en sciences information quantique. Dans ce contexte, nous présentons une source très performante et entièrement guidée permettant, au moyen d'une boucle de Sagnac, la génération d'états hyper-intriqués en polarisation et en énergie-temps. La configuration guidée rend le dispositif versatile, efficace et compatible avec une large bande spectrale, répondant ainsi au besoin des systèmes et réseaux de communication fibrés. À cette fin, nous avons distribué simultanément dans différents canaux télécoms des paires de photons hyper-intriqués au moyen de multiplexeurs en longueur d'onde à 5 canaux (DWDM), augmentant de fait le débit. La qualité de l'intrication est validée par la violation d'une inégalité de Bell étendue à un espace de Hilbert à 16 dimensions. Afin de pouvoir interfacer des photons aux longueurs d'ondes des télécommunications avec les bandes d'absorption des mémoires quantiques situées dans le visible, nous avons également développé une interface cohérente en longueur d'ondes. Un nouveau dispositif de métrologie quantique permettant la mesure avec une précision inégalée des effets de la dispersion chromatique dans les fibres optiques standards est également proposé. Notre approche "quantique" améliore la précision par un facteur 2.6 par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Dans ce même contexte, nous avons aussi implémenté un nouveau protocole de métrologie de la phase de deux photons en ne détectant uniquement qu'un seul photon. Cette réalisation ouvre la voie à des applications potentielles simples s'appuyant sur peu de ressources au niveau de la détection. Finalement, dans la perspective de la miniaturisation de dispositifs quantiques, nous avons démontré un générateur d'intrication annoncée intégré sur puce qui trouve des applications en calcul et métrologie quantique. / The aim of this thesis was to develop photonic entanglement sources and study their implementation in the general field of quantum information technologies. To this end, a novel fully wave-guided, high performance photonic entanglement source is presented, able to generate hyper-entangled states in the observables of polarization and energy-time by means of a nonlinear Sagnac loop. The waveguide-based design makes it flexible, reliable, and adaptable to a wide spectral range, paving the way towards compact photonic entanglement generators, compatible with fiber-based communication systems and networks. This has been underlined by generating and distributing hyperentanglement in 5x2 dense wavelength division multiplexed channel telecom pairs, simultaneously, towards higher bit rates. The quality of the generated entanglement has been qualified by violating the Bell inequalities in a 16-dimension Hilbert space. Moreover, to adapt the wavelength of the entangled telecom photon pairs to the absorption wavelength of current quantum memory systems, a coherent wavelength converter is demonstrated. Furthermore, within the framework of quantum metrology, a new concept for a high-precision chromatic dispersion (CD) measurement in standard single mode fibers is introduced and demonstrated. In this demonstration, due to conceptual advantages enabled by quantum optics, an unprecedented 2.6 times higher accuracy on CD measurements is shown, compared to state-of-the-art techniques. In the same context, a new protocol for measuring two-photon phase shifts is performed using single photon detection only, promising scalable and potential real device applications with limited resources and simplified detection schemes. Finally, any potential application of quantum optics will be realized using small-scale devices. In this framework, an integrated on-chip heralded path entanglement generator is demonstrated, and shown to be adaptable to logic gate operations.

Cette thèse s’est concentrée sur l’étude des lasers à blocage de modes destinés à la fenêtre de télécommunication de 1,55 µm et à base de bâtonnets quantiques dont la croissance a été réalisée sur des substrats d’InP. Un des principaux objectifs de ce travail de thèse a consisté à apporter de nouveaux éléments permettant de mieux appréhender les aspects physiques sous-tendant le mécanisme du ML dans ces dispositifs. En effet, une meilleure compréhension du comportement intrinsèque de ces dispositifs et la façon dont ils sont affectés par des facteurs externes, qui pourraient être présents dans les conditions réelles d’utilisation, est cruciale pour leur intégration dans des technologies futures. Un deuxième objectif majeur de ce travail a consisté à démontrer le potentiel d’exploitation de ces dispositifs dans différents scenarii d’applications / This PhD thesis focuses on the study of mode locked laser diodes based on novel optimized InAs Quantum Dash structures grown on InP substrates. It covers several important modelling aspects, the clean room processing of single and two section shallow ridge waveguide lasers, characterization of the fabricated devices and the evaluation of their performance in different application scenarios. Systematic characterization experiments and subsequent analyses have allowed to gain a much deeper comprehension of the physical mechanisms related to the mode locking regime in these devices, thus far not completely understood. This has allowed to better control most of the main physical phenomena limiting device performance, resulting in first demonstrations of record peak power, sub-picosecond pulse, low radio frequency linewidth and high repetition frequency mode locked lasers grown on InP substrates, opening the way to a vast number of potential applications in the 1.55 µm telecommunication window

Ce travail de thèse se consacre à l'étude théorique et expérimentale de la génération de corrélations quantiques dans le régime des variables continues par mélange à 4 ondes dans une vapeur atomique. Deux approches théoriques complémentaires sont développées. D'une part, nous étudions le mélange à 4 ondes sous le point de vue de l'optique non-linéaire "classique" afin d'obtenir les équations d'évolution d'un amplificateur idéal pour un milieu de susceptibilité diélectrique chi(3). D'autre part, nous présentons un modèle microscopique à 4 niveaux en double-Lambda permettant de calculer le coefficient chi(3) pour une vapeur atomique en présence de laser, et ainsi obtenir théoriquement les spectres de bruit en intensité des grandeurs observées. La mise en oeuvre expérimentale de ce processus sur la raie D1 du rubidium 85 est ensuite détaillée. Nous présentons notamment un taux de compression sous la limite quantique standard de -9.2dB, ainsi qu'un régime original permettant la génération de corrélations quantiques sans amplification. L'ensemble de ces résultats a des applications très importantes dans le domaine de l'optique quantique multimode. Citons par exemple l'imagerie quantique ou les mémoires quantiques multimodes.

Depuis une vingtaine d'années, la physique et les applications des transitions intersousbandes ont connu un essor remarquable. Il reste aujourd'hui deux frontières à explorer : l'extension vers le THz et celle vers le proche infrarouge. Pour atteindre le domaine spectral des télécommunications par fibre optique, les puits et boîtes quantiques GaN/AlN étudiés dans cette thèse sont les candidats les plus sérieux car ils présentent une discontinuité de potentiel suffisamment élevée en bande de conduction (1,75 eV).<br />Je présente en premier lieu mes expériences à température ambiante portant sur les puits quantiques GaN/AlN épitaxiés par jets moléculaires sur substrat saphir (0001). Je montre l'amplification résonante de la génération de second harmonique à λ~1 µm mais aussi la première observation de la luminescence intersousbande à λ~2,1 µm sous pompage optique. <br />J'étudie ensuite le confinement quantique dans des structures à puits quantiques couplés GaN/AlN. Ces structures ont permis de mettre en évidence le transfert tunnel des électrons entre puits quantiques sous application d'une tension et de fabriquer un modulateur électro-optique rapide (3 GHz).<br />Finalement, j'étudie le confinement quantique dans les boîtes quantiques GaN/AlN. Dans ces nano-objets, je mets en évidence à température ambiante l'émission intrabande pz-s à λ~1,48 µm. Je déduis de ces mesures la largeur de raie intrabande d'une boîte unique. Je montre en outre que la durée de vie des électrons excités est ~160 fs via des expériences de pompe-sonde. A partir des mesures de saturation d'absorption et d'émission, j'estime le temps de cohérence des électrons entre les sous niveaux à T2~320 fs.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de nanostructures semi- conductrices III-V pour le développement d’émetteurs laser sur silicium dans une approche pseudomorphique. Une croissance en accord de maille d’alliages à base de GaP ou plus précisément de nitrures dilués GaPN doit garantir une faible densité de défauts cristallins. Le modèle des liaisons fortes à base étendue est tout d’abord présenté afin de simuler les propriétés électroniques et optiques de structures semi-conductrices sur substrats de GaP ou Si. Les propriétés des alliages massifs GaPN et GaAsPN sont étudiées par des expériences de photoluminescence continue en fonction de la température et de photoluminescence résolue en temps. Les potentialités des puits quantiques GaAsPN/GaP en tant que zone active sont étudiées théoriquement par le modèle des liaisons fortes et expérimentalement en spectroscopie de photoluminescence en température et résolue en temps. Les effets de désordre engendrés par l’incorporation d’azote sont notamment mis en évidence. L’alliage AlGaP est ensuite proposé pour les couches de confinement optique des structures laser. Un contraste d’indice optique entre AlGaP et GaP est mesuré par ellipsométrie spectroscopique. Ce contraste doit permettre un confinement efficace du mode optique. Le problème de l’alignement des bandes en présence d’aluminium est ensuite évoqué. L’utilisation de l’alliage quaternaire GaAsPN est proposée pour résoudre ce problème. Enfin, les boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en tant qu’alternative aux puits quantiques GaAsPN/GaP dans la zone active. Une forte densité de boites quantiques et une émission de photoluminescence à température ambiante sont ainsi obtenues pour ce système. Les états électroniques des boîtes quantiques sont simulés par la technique des liaisons fortes et la méthode k.p. La photoluminescence résolue en temps couplée à des expériences de photoluminescence continue sous pression hydrostatique, permet de montrer que la transition fondamentale de ces boîtes implique majoritairement des états de conduction de type X. / This PhD work focuses on the study of III-V semiconductor nanostructures for the development of laser on Si substrate in a pseudomorphic approach. GaP-based alloys and more specifically dilute nitride GaPN-based alloys are expected to guarantee a low density of crystalline defects through a perfect lattice-matched growth. An extended tight-binding model is first presented to deal with the theoretical challenges for the simulation of electronic and optical properties of semiconductor structures grown on GaP or Si substrate. The optical properties of bulk GaPN and GaAsPN alloys are then studied through temperature dependent continuous wave photoluminescence and time-resolved photoluminescence experiments. The potential of GaAsPN/GaP quantum wells as a laser active zone is discussed in the framework of both theoretical simulations (with the tight-binding model) and experimental studies (with temperature dependent and time-resolved photoluminescence). In particular, the N-induced disorder effects are highlighted. The AlGaP alloy is then proposed as a candidate for the cladding layers. A significant refractive index contrast between AlGaP and GaP is measured by spectroscopic ellipsometry which may lead to a good confinement of the optical mode in a laser structure. The issue of band alignment is highlighted. Solutions based on the quaternary GaAsPN alloy are proposed. Finally, the InGaAs/GaP quantum dots are studied as an alternative to GaAsPN/GaP quantum wells for the active zone. The growth of a high quantum dot density and room temperature photoluminescence are achieved. The electronic band structure is studied by time-resolved photoluminescence and pressure dependent photoluminescence as well as tight-binding and k.p simulations. It demonstrates that the ground optical transition involves mainly X-conduction states.

Cette thèse est consacrée à l'étude de modèles stochastiques associés aux systèmes quantiques ouverts. Plus particulièrement, nous étudions les marches quantiques ouvertes qui sont les analogues quantiques des marches aléatoires classiques. La première partie consiste en une présentation générale des marches quantiques ouvertes. Nous présentons les outils mathématiques nécessaires afin d'étudier les systèmes quantiques ouverts, puis nous exposons les modèles discrets et continus des marches quantiques ouvertes. Ces marches sont respectivement régies par des canaux quantiques et des opérateurs de Lindblad. Les trajectoires quantiques associées sont quant à elles données par des chaînes de Markov et des équations différentielles stochastiques avec sauts. La première partie s'achève avec la présentation de quelques pistes de recherche qui sont le problème de Dirichlet pour les marches quantiques ouvertes et les théorèmes asymptotiques pour les mesures quantiques non destructives. La seconde partie rassemble les articles rédigés durant cette thèse. Ces articles traîtent les sujets associés à l'irréductibilité, à la dualité récurrence-transience, au théorème central limite et au principe de grandes déviations pour les marches quantiques ouvertes à temps continu. / This thesis is devoted to the study of stochastic models derived from open quantum systems. In particular, this work deals with open quantum walks that are the quantum analogues of classical random walks. The first part consists in giving a general presentation of open quantum walks. The mathematical tools necessary to study open quan- tum systems are presented, then the discrete and continuous time models of open quantum walks are exposed. These walks are respectively governed by quantum channels and Lindblad operators. The associated quantum trajectories are given by Markov chains and stochastic differential equations with jumps. The first part concludes with discussions over some of the research topics such as the Dirichlet problem for open quantum walks and the asymptotic theorems for quantum non demolition measurements. The second part collects the articles written within the framework of this thesis. These papers deal with the topics associated to the irreducibility, the recurrence-transience duality, the central limit theorem and the large deviations principle for continuous time open quantum walks.

Le sujet de thèse est une étude théorique des modes normaux d’oscillations plasma dans des chaînes de jonctions Josephson supra-conductrices. Les propriétés de ces modes normaux peuvent être contrôlés en choisissant une modulation spatiale appropriée de paramètres des jonctions le long de la chaîne et/ou un couplage approprié à l'environnement extérieur. Le travail théorique au sein du LPMMC se fait en étroite collaboration avec l'équipe expérimentale"Cohérence Quantique" à l'Institut Néel. Les problèmes spécifiques étudiés dans la thèse sont : modélisation détaillée du couplage des modes normaux à l'environnement pour leur caractérisation dans une expérience de transmission de micro-ondes, dissipation intrinsèque des oscillations du plasma à cause de quasi-particules hors équilibre, l'optimisation de la structure spatiale de la chaîne de jonctions Josephson pour son utilisation en tant qu'une super-inductance. / The subject of thesis is a theorerical study of normal modes of plasma oscillations in superconducting Josephson junction chains. The properties of these normal modes can be controlled by choosing an appropriate spatial modulation of the junction parameters along the chain and/or an appropriate coupling to the external environment. The theoretical work at LPMMC is performed in a close collaboration with the experimental Quantum Coherence group at Néel Institute. The specific problems studied in this thesis are : detailed modeling of the normal mode coupling to the environment for probing them in a microwave transmission experiment, intrinsic dissipation of plasma oscillations due to the presence of non-equilibrium quasi-particles, optimization of the spatial structure of the Josephson junction chain for its use as a super-inductance.