Contrôler la lumière avec de la lumière au niveau du photon unique est un objectif fondamental dans le domaine de l'information quantique, ou de l'ordinateur optique à très basse puissance. Un émetteur quantique constitué d'un unique système à deux niveaux est un milieu très non-linéaire, pour lequel l'interaction avec un photon peut modifier la transmission d'un photon suivant. Dans ce scenario, le défi pour obtenir une telle non-linéarité géante est d'optimiser l'interaction lumière matière. Une solution à ce défi est d’insérer l'émetteur quantique dans une structure photonique. Ce système est appelé « atome uni-dimensionnel » : la collection de la lumière, tout comme la probabilité d'absorber un photon se propageant dans la structure est maximum.Dans ce travail, nous avons utilisé ce type de système pour réaliser une non-linéarité géante à deux modes, dans laquelle la réflexion d'un des modes est contrôlée par un autre mode au niveau du photon unique. Le système est constitué d'une boite quantique semi-conductrice InAs/GaAs, qui peut être considéré comme un atome artificiel, insérée dans un fil photonique en GaAs opérant comme un guide d'onde. Le fil photonique définit un mode spatial unique autour de l'émetteur et offre une interaction lumière-matière avec une efficacité quasi-idéale. De plus, ce fil photonique présente cette propriété sur une large bande spectrale. Grâce à ces deux propriétés, nous avons démontré expérimentalement une non-linéarité géante à un mode et à deux modes à un niveau de quelques dizaines de photons par durée de vie de l'émetteur. Cela permet de réaliser un interrupteur tout optique intégré, à très faible seuil. / Controlling light by light at the single photon level is a fundamental quest in the field of quantum computing, quantum information science and classical ultra-low power optical computing. A quantum light emitter made of a single two-level system is a highly non-linear medium, where the interaction of one photon with the medium can modify the transmission of another incoming photon. In this scenario, the most challenging issue to obtain a giant optical non-linearity is to optimize photon-emitter interaction. This issue can be overcome by inserting the quantum emitter inside a photonic structure. This system is known as “one-dimensional atom”: the light collection efficiency as well as the probability for an emitter to absorb a photon fed into the structure is maximum. In this study, we aim at using such kind of system to experimentally realize a two-mode giant non-linearity, in which the reflection of one light mode is controlled by another light mode at the single-photon level. The system consists of a semiconductor InAs/GaAs quantum dot, which can be considered as an artificial atom, embedded inside a GaAs photonic wire, which is an optical waveguide. The photonic wire defines a single spatial mode around the emitter and offers a close to unity light-emitter interaction efficiency. In addition, the photonic wire also possesses a spectrally broadband operation range. Thanks to these two excellent features of the system, we experimentally demonstrate in this thesis a single-mode and a two-mode giant non-linearity obtained at the level of just a few tens of photons per emitter lifetime. This realizes an integrated ultra-low power all-optical switch.

Les nitrures d'éléments II-IV ZnSiN2, ZnGeN2 et ZnSnN2 forment une famille de semi-conducteurs liés aux nitrures d'éléments III (le GaN et ses alliages contenant de l'aluminium ou de l'indium). Ils s'obtiennent par construction en remplaçant l'élément III (Ga) périodiquement par un élément II (Zn) puis par un élément IV (Si, Ge ou Sn), ses voisins de gauche et de droite dans le tableau périodique. La structure cristalline qui en résulte est très proche de celle du GaN wurtzite. Le ZnGeN2 présente un désaccord de maille avec le GaN inférieur à 1%. Sa largeur de bande interdite est de quelques pour cents identique à celle du GaN et le large décalage de bande entre le GaN et le ZnGeN2 permet la formation d'une hétérostructure de type II. Ces données ont ouvert la voie à l'étude théorique de l'intégration des matériaux II-IV-N2 dans les zones actives de LEDs GaN. Ces puits quantiques de type II pourraient contribuer à améliorer les propriétés d'émission à grandes longueurs d'onde (verte et au-delà) des émetteurs à base de GaN. L'alliage ZnSn{x}Ge{1-x}N2 (de x = 0 à x = 1) étant peu connu, l'objectif de la thèse est de réaliser une étude expérimentale du matériau sous forme de couches minces élaborées par pulvérisation cathodique magnétron réactive. Ses propriétés structurales, optiques et électriques sont étudiées au moyen de différentes méthodes d'analyse. Il paraît ainsi possible de moduler son paramètre de maille a (de 3.22 A à 3.41 A) ainsi que la largeur de la bande interdite (de 2.1 eV pour le ZnSnN2 à 3.0 eV pour le ZnGeN2) mais également ses propriétés électriques sur plusieurs ordres de grandeur. L'utilisation de substrats de GaN permet, en outre, une analyse de l'interface entre les deux matériaux et l'étude des effets de quasi-épitaxie. / The II-IV-nitrides ZnSiN2, ZnGeN2 and ZnSnN2 represent a semiconductors family close to the III-nitrides (GaN and its aluminum and indium containing alloys). They are obtained by replacing periodically the group III element (Ga) by a group II element (Zn) and by a group IV element (Si, Ge or Sn), its left and right neighbors in the periodic table. The crystalline structure of ZnGeN2 is therefore really close to the one of wurtzite GaN. They show a lattice mismatch smaller than 1 %. The band gap of ZnGeN2 is almost identical to GaN and their large band offset enables the design of a type II heterostructure. These data set the stage for the theoretical study of II-IV-N2 integration into the active zones of GaN LEDs. These type II quantum wells could contribute to enhance the emission properties of GaN-based light emitters at high wavelengths (green and beyond). The ZnSn{x}Ge{1-x}N2 alloy (with x = 0 to x = 1) being rather unknown, the objective of this thesis is the experimental study of sputtered thin films of this material. Its structural, optical and electrical properties are investigated through different analysis methods. It seems possible to adjust its lattice parameter a (from 3.22 A to 3.41 A) as well as its band gap (from 2.1 eV for ZnSnN2 to 3.0 eV for ZnGeN2) but also its electrical properties on several orders of magnitude. The use of GaN substrates enables the investigation of the interface between both materials and quasi-epitaxy effects.

En 2004, le carbone, la base de toute vie connue sur Terre, a marqué les esprits une fois de plus: Les scientifiques de l’Université de Manchester au Royaume Uni ont pu extraire une matière carbonée complètement nouvelle, le graphène à partir d’un morceau de graphite comme celui qui compose les crayons. À l’aide d’un ruban adhésif, ils ont obtenu une paillette de carbone de l’épaisseur d’un atome seulement, à une époque où beaucoup pensaient qu’un matériaux cristallin aussi fin ne pouvait pas être stable. Le graphène parfait est une couche monoatomique composée d’atomes de carbone hybridés sp2, arrangés en structure alvéolaire; sa structure chimique particulière lui donne des propriétés physiques et chimique remarquable. Le graphène est devenu rapidement la matière carbonée la plus intensivement étudiée parmi celles «possiblement révolutionnaires», avec ses applications potentielles s’étendant de la microélectronique aux composites, des énergies renouvelables à la médecine. En 2010, Geim et Novoselov ont été récompensés par le prix Nobel de physique pour leurs «expériences révolutionnaires sur les matériaux bi-dimensionnels en graphène» qui a ouvert une nouvelle ère dans la science des matières carbonées.La chimie non-covalente du graphène est exploitée et étudiée dans cette thèse dans le but de concevoir, produire, transformer et caractériser les nouveaux matériaux hybrides graphène-organique. L’étendue de ce travail couvre les aspects mécanistiques de l’exfoliation en phase liquide du graphène avec des colorants, les aspects fondamentaux des interactions entre le graphène et le chromophore, en phase liquide et solide, ainsi que l’élaboration de suspensions hybrides de graphène dans le but d‘applications en électronique organique et dans les matériaux composites polymères fonctionnels. / In 2004, carbon, the basis of all known life on earth, has surprised once again: Researchers from University of Manchester, UK, extracted a completely new carbon material, graphene, from a piece of graphite such as is found in pencils. Using adhesive tape, they obtained a flake of carbon with a thickness of just one single atom, at a time when many believed it impossible for such thin crystalline materials to be stable. Pristine graphene is a mono-atomic sheet of, sp2 hybridized carbon atoms arranged in a honeycomb network; this particular chemical structure gives rise to its outstanding physical and chemical properties. Graphene rapidly became the most intensively studied among the ‘possibly revolutionary’carbon materials, with its potential applications reaching from microelectronics to composites, from renewable energy to medicine. In 2010, Geim and Novoselov were honored with the Nobel Prize in Physics for their “ground breaking experiments regarding the two-dimensional material graphene” that started a new era in the science of carbon materials.In this thesis we exploit and study the non-covalent chemistry of graphene to design, produce, process and characterize novel graphene organic hybrid materials. The scope of this work covers mechanistic aspects of graphene liquid phase exfoliation with dyes, fundamental aspects of graphene chromophore interactions in liquid and solid phase and the formulation of graphene hybrid suspensions towards application in organic electronics and functional polymer composite materials.

Au cours de ces travaux de thèse, la mésostructure et le comportement électrique/photoélectrique de mélanges de polymères semi-conducteur et ferroélectrique en films minces ont été étudiés pour des applications en électronique organique. Les propriétés de semi-conduction du P3HT et de ferroélectricité du P(VDF-TrFe) ont été associées au sein d’une même couche active. Il a été observé que le développement d’une morphologie de la couche active en film mince présentant des domaines bi-continus permet de conserver les propriétés intrinsèques des deux matériaux. Des dispositifs de type stockage d’informations ont été réalisés à partir de la couche active composée de 10 % P3HT – 90 % P(VDF-TrFe) et la modulation des propriétés d’injection des dispositifs par le champ ferroélectrique a été étudiée. Des cellules photovoltaïques ont également été réalisées à partir de cette couche active qui présente des propriétés optoélectroniques qui varient selon l’état de polarisation du P(VDF-TrFe). L’influence du champ ferroélectrique sur l’efficacité de la photogénération de charges du P3HT et la modulation du photocourant par l’état de polarisation du P(VDF-TrFe) ont ainsi été déterminées. / In this thesis, the mesostructure and the electric/photoelectric behavior of ferroelectric/semi-conductor polymer blends in thin films have been studied for organic electronic applications. The semi-conductivity property of P3HT was associated with the ferroelectricity of P(VDF-TrFe) in one active layer. It has been observed that the intrinsic properties of both materials remained with the bi-continous morphology of these thin films. Memory devices were fabricated based on the 10 % P3HT – 90 % P(VDF-TrFe) active layer and the modulation of the injection properties by the ferroelectric field has been studied. We have also demonstrated that the P3HT/P(VDF-TrFe) thin films exhibit optoelectronic properties which depend on the polarization state of P(VDF-TrFe). The influence of the ferroelectric field on the photogeneration of charges of P3HT and the variation of the photocurrent with the polarization state of P(VDF-TrFe) were determined.

Une des techniques connues pour la gyrométrie est d'utiliser l'effet Sagnac dans une cavité laser en anneau avec pour milieu à gain un mélange d'Hélium et de Néon. Si ses qualités gyrométriques sont clairement établies, ce type de laser trouve ses principales limitations industrielles dans le caractère gazeux de son milieu à gain. Des solutions fondées sur un cristal de Nd :Yag ont déjà pu montrer qu'il était possible d'obtenir un signal Sagnac dans un autre type de milieu à gain. Il est cependant apparu que le temps relativement long de la fluorescence (230 μs) était une des sources de limitation de la qualité de la réponse en fréquence. Le semi-conducteur, par son temps de vie de luminescence beaucoup plus court (3 ns) présente ainsi un avantage potentiel pour la gyrométrie. De plus, la possibilité d'un pompage électrique pourrait offrir à terme une réduction importante des coûts. L'objectif de ce travail de thèse est ainsi d'étudier la possibilité de réaliser un gyrolaser fondé sur un milieu à gain semi conducteur dans une cavité en espace libre. La dynamique du milieu à gain étant significativement différente des systèmes précédemment cités, il est d'abord nécessaire d'étudier les conditions de stabilité du fonctionnement gyrométrique, ainsi que les performances que l'on peut espérer obtenir avec un tel système. L'influence du couplage phase-amplitude propre aux milieux semi-conducteurs est en particulier mise en évidence. Dans un deuxième temps, nous montrons experimentalement qu'il est effectivement possible d'obtenir à partir d'une cavité en anneau avec un 1/2-VCSEL un fonctionnement gyrométrique, grâce une géométrie de cavité adéquate et à un asservissement des intensités permettant de contrebalancer les effets de la compétition de modes qui a lieu au sein du semi-conducteur.

Le travail présenté dans ce rapport a pour objectif d'étudier la faisabilité d'un laser à semi-conducteurs III-nitrures pompé par cathode à micropointes émettant dans l'UV lointain (250–350 nm). La structure laser, élaborée en EJM, est une hétérostructure à confinement séparé dont la zone active est constituée de puits (ou boîtes) quantiques de GaN dans une barrière d'AlxGa1-xN. Elle est pompée par un faisceau d'électrons énergétiques (~10 keV) générés par une cathode à micropointes. Le faisceau électronique converge sur la structure laser grâce à des aimants permanents qui impriment aux électrons un mouvement cyclotron. Cette étude a mis en évidence deux verrous technologiques dans la réalisation de ce laser. Premièrement, le seuil laser est très élevé (~10 MW/cm 2 en pompage optique). En effet, la qualité des alliages AlxGa1-xN constituant la barrière est insuffisante, ce qui se traduit par un faible transfert des porteurs vers les puits quantiques. Des mesures de cathodoluminescence ont été couplées à des simulations pour étudier la diffusion ambipolaire dans les hétérostructures. La longueur de diffusion varie sur trois ordres de grandeur (~nm–μ m) selon la couche étudiée. Elle est la plus faible dans la barrière d'Al0.1Ga0.9N. L'utilisation de substrats de SiC face carbone a permis d'améliorer la qualité des échantillons. Deuxièmement, le courant émis par les micropointes (~A/cm 2 ) est insuffisant pour atteindre le seuil laser. Un dispositif de dépôt de césium sur les micropointes a été mis au point afin de réduire le travail de sortie des électrons. On a ainsi pu multiplier le courant émis par un facteur 50 pour une tension grille–cathode de 70 V mais le dépôt de césium est inhomogène et instable.

Alors que les télécommunications optiques se sont imposées dans les liaisons point à point de très haut débit, leur extension au réseau métropolitain, caractérisé par une grande densité de connexions, est aujourd'hui freinée par le prix élevé des composants. Un des principaux facteurs de coût dans la fabrication des modules optique est lié au besoin de coupler le laser à un isolateur afin de le protéger des réflexions externes. Le but de cette thèse a consisté à développer des lasers monomodes faiblement sensibles à la réalimentation optique afin de pouvoir réaliser des transmissions à 2,5 GBit/s sans isolateur optique. L'étude de structures DFB (Distributed Feedback Lasers) conventionnelles a permis de relier les effets physiques induits sur les composants par la contre-réaction optique aux dégradations observées dans les courbes de taux d'erreurs. Bien qu'un tri de ces composants soit nécessaire à l'échelle industrielle, des transmissions à 2,5 GBit/s et à 85°C ont été réalisées sans plancher et avec de faibles pénalités après optimisation de la structure laser. Afin de s'affranchir de l'opération de tri, de nouvelles structures DFB à pas variable et fondées sur l'utilisation d'un réseau de Bragg asymétrique (chirped grating) ont ensuite été réalisées. Les résultats montrent des performances statiques et dynamiques homogènes sur plaque et au-delà de l'état de l'art. Outre la réduction du prix lié à l'absence d'isolateur, de telles performances permettent surtout de s'affranchir de l'opération de tri et sont donc particulièrement prometteuses pour le développement futur des réseaux de télécommunications tout optique.

Dans cette thèse, nous avons travaillé sur le problème de la mise œuvre des plans de contrôle dynamique au sein d'un environnement semi-conducteur multi-produits. Nous nous sommes focalisés sur le compromis entre le rendement et le temps de cycle, la réduction du nombre de contrôles sans valeur ajoutée, et l'optimisation de l'utilisation de la capacité de contrôle. Nous avons commencé par formaliser et généraliser le problème au travers d'une revue de la littérature. Ensuite, nous avons proposé trois principales solutions pour supporter l'implémentation industrielle des plans de contrôle dynamique. La première solution que nous avons proposée est basée sur un indicateur qui permet le traitement d'un très grand volume de données et l'évaluation de plusieurs types de risques avec une très faible consommation des ressources informatiques. La deuxième solution est basée sur des algorithmes d'échantillonnage intelligents que nous avons développés pour permettre le choix en dynamique des meilleurs produits ou lots à contrôler. Et la troisième solution est un programme linéaire mixte en nombres entiers que nous avons développé pour optimiser les paramètres clés qui sont utilisés dans les algorithmes d'échantillonnage dynamique.L'originalité des travaux de cette thèse se trouve dans l'industrialisation des différentes solutions que nous avons proposées. Toutes les solutions ont été validées industriellement et certaines solutions ont été étendues à d'autres sites de la compagnie. Plusieurs perspectives ont été identifiées et offrent ainsi de nombreuses pistes de recherche.

Excitabilité et structures localisées sont des phénomènes universels qui ont été observés dans une grande variété de systèmes. Chacun des deux phénomènes a des propriétés intéressante pour des applications potentielles, surtout dans l'optique. L'excitabilité est la propriété intrinsèque du neurone, elle décrit sa réponse à une stimulation: pour des stimulations en-dessous d'un certain seuil, le neurone reste dans son état de repos mais quand la stimulation dépasse ce seuil, il émet une impulsion dont la taille ne dépend pas de la force de la stimulation. Les structures localisées dans les systèmes optiques sont des pics de surintensité qui coexistent avec un fond homogène sur la section transversale spatialement étendue d'une cavité laser. Dans cette thèse nous avons étudié l'apparition de ces deux phénomènes non-linéaires dans des microcavités à semi-conducteur, pour lesquelles les applications dans le traitement tout-optique de l'information sont prometteuse. En outre, nous avons étudié la possibilité de trouver un nouveau phénomène à l'intersection entre les deux: les structures localisées excitables. D'une part nous avons étudié les propriétés des structures localisées qui se forment dans un laser à solitons. Celui-ci est constitué par deux laser à semiconducteur à cavité verticale (VCSEL) mutuellement couplées dans une configuration de laser avec absorbant saturable (LSA). Nous observons l'émissions aléatoire et localisée d'impulsions que nous affirmons être la première évidence expérimentale de structures localisées excitables. D'autre part nous avons démontré le comportement excitable d'un laser avec signal injecté par la possibilité de contrôler les impulsions excitable grâce à une perturbation externe appropriée. Nous avons également réalisé des simulations numériques qui montrent l'existence des structures localisées excitables dans un modèle de VCSEL avec absorbant saturable.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal