Pour un laser semiconducteur, la démonstration de fonctionnements en régime continu et à température ambiante est une étape cruciale à franchir pour en faire des dispositifs optoélectronique à part entière. Dans ce but, on cherche à améliorer leur température maximale de fonctionnement en régime continu et à limiter la puissance électrique injectée. Pour répondre à ces deux besoins essentiels, des travaux d'optimisation ont été menés au cours de cette thèse sur des lasers à cascade quantique (LCQ) émettant à lambda~9µm.<br />Une optimisation des guides d'onde des LCQ en GaAs/AlGaAs a été entreprise afin de diminuer les densités de courant de seuil et augmenter les rendements de ces lasers ; grâce à des guides utilisant des couches en AlGaAs ou en GaInP, de nouvelles performances ont été atteintes pour ces lasers. La réalisation d'injection sélective de courant par implantation de protons permet aux LCQ en GaAs/AlGaAs de réduire leurs courants de fonctionnnement, et d'améliorer leur propriétés thermiques. Nous avons expérimenté cette technique sur des LCCQ en GaInAs/AlInAs/InP.<br />L'influence d'une couche épaisse d'or, déposée sur le dessus des guides rubans pour améliorer la dissipation de chaleur, a également été étudiée. Les performances des deux types de LCQ seront comparées et les perspectives sur leur développement seront discutées.

Nous avons étudié les propriétés optiques de nanocristaux de semiconducteurs II-VI à base de CdSe. Tout d'abord, la mise en place d'un montage permettant une mesure précise et rapide de leur rendement quantique de fluorescence, conjointement à des mesures de photoluminescence (PL), a contribué à l'optimisation des paramètres de synthèse. Les phénomènes de clignotement de la fluorescence et de dégroupement de photons ont été caractérisés sur des nanocristaux uniques grâce à la mise en place d'un montage de micro-PL résolue en temps. L'inclusion de nanocristaux dans des matrices de polymères conducteurs, dans le but de mieux comprendre le clignotement, a été étudiée. Nous avons aussi modifié le diagramme de rayonnement des nanocristaux en les plaçant dans une demi-cavité à miroir d'or pour augmenter le signal de fluorescence collecté sur des nanocristaux individuels. Enfin, nous avons démontré le couplage de nanocristaux à des modes de galerie de microdisques de silice.

Nous avons étudié les propriétés optiques de boîtes quantiques uniques de CdSe et de CdTe dans le but de les utiliser comme sources pouvant émettre des photons uniques à haute température (au dessus de 100 K). Nous avons ainsi caractérisé les sources de déphasage (les fluctuations aléatoires de charges, l'interaction exciton – phonon), qui limitent l'émission de photons indiscernables. L'étude de nos boîtes chargées de CdSe permet de montrer l'importance du mélange entre trous lourds et trous légers, qui limite l'utilisation des boîtes comme sources de paires de photons intriqués. De plus, nous avons étudié deux mécanismes de transfert inter-boîte affectant l'émission de photons uniques sur demande: le transfert par effet tunnel, qui intervient à des fortes densités de boîtes, et le transfert thermoactivé, apparaissant à des faibles confinements de porteurs. Finalement, la preuve de l'émission de photons uniques est apportée par des expériences de corrélation de photons avec une excitation continue.

Cette étude porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de modulateurs de cohérence intégrés sur substrats semiconducteurs III-V. Nous expliquons tout d'abord le principe de la modulation de cohérence, technique particulière de codage optique appliquée à la transmission et au multiplexage de signaux, qui repose sur l'introduction dans un interféromètre à deux ondes d'un retard optique supérieur à la longueur de cohérence de la source optique. Nous avons réalisé un premier modulateur de cohérence, interféromètre à polarisation à base de guide d'onde optique ruban fortement biréfrigent. Les semiconducteurs III-V n'étant pas biréfringents nous avons développé une structure originale permettant le guidage des seuls modes fondamentaux TE0 et TM0 avec une forte biréfringence de forme résultant de l'empilement de nombreuses couches de GaAlAs de faible épaisseur. Les deux modes présentent en sortie du guide une différence de chemin optique de 230 mm, modulable par effet électro-optique et supérieure à la longueur de cohérence d'une diode superluminescente à 1.3 mm. Nous avons ensuite réalisé un second modulateur sous la forme d'un interféromètre de Mach-Zehnder fortement déséquilibré. Cet interféromètre à deux ondes entièrement intégré en GaAlAs/GaAs introduit un retard optique de 100 mm, par différence de longueur de ses bras. Afin de minimiser les pertes dans cette structure de géométrie complexe nous avons gravé des tranchées situées à l'extérieur des zones courbées. Cette solution a été choisie aprés simulation du dispositif par la méthode des faisceaux propagés (BPM). Les performances du composant sont comparables à celles du précédent. Nous avons donc réalisé les premiers modulateurs de cohérence intégrés en semiconducteurs III-V qui ouvrent la voie à de nouvelles applications en filtrage, contrôle de polarisation... dans les réseaux de télécommunications optiques.

Les nanostructures de puits ou boîtes quantiques de GaN/AlN présentent des potentialités très intéressantes pour les applications aux composants optoélectroniques télécoms. Ceci tient à la forte discontinuité en bande de conduction qui permet d'observer des absorptions intrabandes entre niveaux électroniques confinés dans la gamme de longueurs d'onde de 1,3 à 1,55 µm. Les échantillons étudiés durant la thèse ont été fabriqués par épitaxie par jets moléculaires avec pour source d'azote soit de l'ammoniac (CRHEA) soit un plasma d'azote (CEA). Les échantillons ont été caractérisés par différentes techniques structurales (RBS, TEM, diffraction de rayons-X) ainsi que par des mesures optiques: spectroscopie de transmission à transformée de Fourier, d'absorption photo-induite et de photoluminescence. Nous montrons que les puits quantiques GaN/AlN présentent une absorption intersousbandes intenses à température ambiante et que celle-ci est ajustable entre 1,3 et 2,1 µm en fonction de l'épaisseur du puits GaN (4 à 10 monocouches). Nous observons aussi que le champ interne conjugué aux rugosités d'interfaces conduit à une forte localisation des porteurs dans le plan des couches à température ambiante. L'absorption des puits dopés est systématiquement décalée à haute énergie par rapport aux puits non dopés. Nous interprétons ce décalage comme la conséquence des effets à N-corps dominés par l'interaction d'échange. Nous discutons enfin les résultats sur un premier dispositif de photo-détection intersousbandes à puits quantiques GaN. Nous rapportons aussi les résultats originaux que nous avons obtenus sur la spectroscopie intrabande du confinement électronique dans les boîtes quantiques auto-organisées de GaN/AlN. Nos résultats montrent la présence d'absorption intrabandes liés au confinement vertical des électrons aux longueurs d'onde dans la gamme 2,4-1,2 µm. Les transitions fondamentales s-px régies par le confinement dans le plan sont observées à plus grande longueur d'onde. Nous montrons enfin qu'en jouant sur le champ interne et en réduisant la taille des îlots, l'absorption intrabande s-pz est aux longueurs d'onde télécoms pour des boîtes de hauteur 1,5 à 2 nm.

Les problèmes associés aux fluctuations de l'état de polarisation des signaux lumineux transitant dans la fibre optique limitent actuellement les débits en transmission. Les solutions basées sur un contrôle de la polarisation du signal utilisent principalement les propriétés de la fibre optique, des cristaux liquides ou du niobate de lithium (LiNbO3) pour les composants d'optique intégrée. Toutefois, la nature même de ces matériaux ne permet pas d'associer sur une même puce les fonctions optiques et électroniques. Pour relever le défit de la miniaturisation des dispositifs, l'utilisation des matériaux semiconducteurs s'impose. L'objectif de ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre : il s'agit d'étudier puis de concevoir un convertisseur de polarisation TE/TM intégré sur substrat semiconducteur III-V de type GaAs. Le composant se base sur les effets électro-optiques linéaires pour modifier l'état de polarisation du signal optique. Ainsi, en menant un étude sur les propriétés électro-optiques linéaires, nous avons montré que l'application de deux champs électriques croisés au niveau du guide optique permettait de modifier l'état de polarisation de la lumière avec une efficacité équivalente à celle des composants intégrés sur niobate de lithium. En modélisant la propagation des modes guidés à travers le composant, les paramètres structurels ont pu être déterminés de manière à répondre aux contraintes imposées par le mode de fonctionnement (biréfringence modale et pertes optiques TM minimales). Les guides de type "chargés enterrés" ont ensuite été réalisés en utilisant les techniques micro-photolithographiques. L'aspect relatif à la nature des contacts électriques a été ensuite développée puis les modulateurs ont été fabriqués. Les résultats issus de la caractérisation des composants sont très prometteurs et démontrent ainsi le potentiel des matériaux semiconducteurs.

Les techniques d'interférométrie microscopiques, basées sur le principe de l'interférence lumineuse, ont connu un développement considérable au cours des dernières années. On distingue deux familles de techniques : la microscopie à saut de phase (PSM) bien adaptée pour l'analyse de défauts peu profonds à l'échelle nanométrique et la microscopie à sonde de faible cohérence (CPM) pour permettre la mesure de reliefs beaucoup plus profonds. Le but de cette étude porte sur l'amélioration des performances du montage de l'interféromètre microscopique en termes de sa précision, de sa résolution, de son contrôle automatique et de son utilisation dans la caractérisation des couches minces et épaisses utilisées dans la microélectronique et dans l'optique. En particulier, de nouveaux algorithmes de contrôle, de traitement et d'analyse ont été conçus pour faciliter la caractérisation des couches, et pour corriger certaines erreurs dans les méthodes PSM et CPM. Pour mieux cerner les performances et les limites du système, nous avons effectué des études comparatives entre nos propres mesures en PSM et en CPM et les mesures faites avec d'autres techniques (stylet, AFM, MEB et microscopie confocale) à travers trois applications. Nous avons montré dans la première application que la PSM pourrait être utilisée pour l'étalonnage quantitatif du procédé de recuit laser des couches de Si-poly pour les écrans plats d'une manière souple, non-destructive et beaucoup plus rapide que les méthodes classiques. Dans la deuxième application, nous avons montré que l'utilisation de la CPM pourrait contribuer à un prototypage rapide des Éléments Optiques Diffractifs (EODs) en raison de sa rapidité, de sa précision et de sa capacité de profiler correctement des couches transparentes épaisses. Dans la troisième et dernière application, une nouvelle technique interférométrique non-destructive a été développée pour caractériser les interfaces enterrées sous une couche transparente.

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 travail de thèse porte sur l'élaboration, la croissance par épitaxie par jets moléculaires, et la caractérisation de superréseaux InAs/GaSb (SR) pour la réalisation de photodétecteurs infrarouges opérant dans la gamme de longueur d'onde 3-5 μm à température ambiante (RT). La première partie de ce mémoire présente les particularités de la détection infrarouge, ainsi qu'un état de l'art des différentes filières de détecteurs. Nous mettons également en exergue les propriétés des photodétecteurs infrarouges à SR (SLIPs) faisant de ce système de matériaux, un candidat très prometteur pour s'imposer dans la prochaine génération de caméras infrarouges. La seconde partie expose la croissance par EJM des SR sur substrat GaSb. La compensation de la contrainte par insertion d'une couche d'InSb à l'interface GaSb sur InAs a été étudiée, ainsi que l'influence de divers paramètres de croissance (température de croissance, pression équivalente des éléments V, ...). Les échantillons ont été caractérisés , et les mesures ont confirmé une grande qualité cristalline, et des SR épais (jusqu'à 2.5 μm) ont été réalisés. Enfin, nous avons élaboré des SLIPs p-i-n avec une longueur d'onde de coupure de 5.6 μm dont les caractérisations sont présentées dans la dernière partie. Ces composants à géométrie mesa ont fonctionné à RT avec un R0A~2-4.10-3 Ω.cm² , une sensibilité de 80 mA/W à 0 V donnant une détectivité spécifique calculée à 4 μm de 4.107 cmHz0.5/W. Une légère amélioration a été obtenue en insérant une couche d' Al0.4GaSb entre la couche buffer et le SR: un R0A~6.10-3 Ω.cm² , une sensibilité de 300 mA/W à -0.4 V donnant une détectivité spécifique calculée à 4 μm de 7.107 cmHz0.5/W.

La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d'une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l'intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d'onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d'obtenir un laser mono-longueur d'onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d'onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d'un laser accordable hybride III-V sur silicium.