Nous présentons les principales propriétés quantiques de fluorescence de nanocristaux de CdSe/CdS individuels à température ambiante. Nous montrons la quasi-suppression de scintillement et l'allongement des durées de vie radiative de ces nanocristaux à la coquille épaisse et de leur rendement quantique. Nous prouvons expérimentalement, par microscopie confocale en champ lointain, que l'interaction d'un nanocristal avec des nanostructures métalliques, réduit sa durée de vie radiative et modifie les efficacités des processus radiatifs et non-radiatifs. Nous montrons que, le couplage dépend bien de la position du nanocristal et que pour certains nanocristaux une large fraction des plasmons est diffractée par la structure spatiale de la couche. Nous obtenons des facteurs de Purcell très importants. Enfin, nous expliquons la relation entre les états d'émission et la compétition entre processus Auger et radiatifs.

L'électrodynamique quantique en cavité (EDQC) étudie l'interaction matière rayonnement à son niveau le plus fondamental, ie lorque la matière est bien décrite par un système à deux niveaux, et la lumière par un mode unique du champ électromagnétique. Les premiers eets d'EDQC ont été observés dans le début des années 80 pour des systèmes de physique atomique. Avec le développement des techniques de micro et nano-fabrication, l'eet Purcell, puis le couplage fort, ont également pu être observés pour des atomes articiels couplés à des cavités semiconductrices. Ces systèmes présentent les avantages d'être potentiellement intégrables sur un circuit et réalisables à grande échelle. Dans ce contexte, les boîtes quantiques semiconductrices (BQ) sont des candidats particulièrement prometteurs. Cependant, à cause de la présence d'une matrice environnante, source intrinsèque de décohérence, ces systèmes s'écartent du paradigme de la physique atomique. Dans le cas des BQs en particulier, ce couplage peut être important et modier les observations de manière singulière. On se propose ici d'étudier la mesure du facteur de Purcell, qui est un des facteurs de mé- rite de l'EDQC, pour une BQ dans une cavité de type micropilier. Diérentes approches seront présentées et comparées entre elles, qui tiennent compte de la spécicité des BQ, et montrent que l'utilisation d'un modèle plus n est nécessaire pour interpréter les résultats obtenus. En- n, le dernier chapitre est consacré à une application intéressante de ce type de système, qui consiste à utiliser la saturation de la boîte quantique pour réaliser une non-linéarité optique à l'échelle du photon unique.

Dans ce travail de thèse, on aborde la manifestation des effets d'Électrodynamique Quantique en Cavité (EDQC) dans le domaine THz. Le domaine THz est définie comme la région des fréquences entre 300 GHz et 30 THz (longueurs d'onde entre 10 µm et 1000 µm). Les sources que nous employons pour la génération rayonnement THz sont des cascades quantiques électroluminescentes<br />GaAs/GaAlAs.<br /><br />Les longueurs d'ondes rayonnées (l ~100 µm) sont ainsi beaucoup plus grandes que l'épaisseur typique des émetteurs (~1 µm). Dans ces conditions, lorsque la source est mise dans une cavité métallique planaire, le taux de l'émission spontanée croît comme l'inverse de l'épaisseur de la cavité.<br /><br />Le travail de thèse comporte d'abord un analyse théorique des dispositifs. Le taux d'émission spontanée est étudié à la fois dans le formalisme classique du champ rétro-réfléchi, et dans le<br />formalisme quantique du règle d'or de Fermi. Pour la dernière approche on a développé une méthode numérique pour le calcul et la normalisation des modes optiques supportés par un système<br />multicouches quelconque, qui peut être appliqué à l'étude des dispositifs lasers. L'analyse des cavités planaires sub-longueur d'onde permet de distinguer un effet "utile", qui porte sur le mode TM_0 guidé dans la cavité, et un effet d'absorption, associé aux plasmons de surface supporté par les<br />couches de contact dopées qui sont nécessaires pour l'injection électrique dans la cascade quantique.<br /><br />Le problème d'extraction de l'émission de la cavité est ensuite analysé. Pour cela on étudie un dispositif photonique de nouveau type, la "cavité complexe", dans lequel on a remplacé le miroir<br />métallique supérieur par un réseau métallique. Un modèle de diffraction conique général est développé pour cette étude. Ce modèle a été vérifié dans le domaine THz par mesures de transmission. Il est appliqué dans le cas de rayonnement dipolaire à l'intérieur de la cavité complexe. Le comportement de la puissance extraite de la cavité en fonction de la période du réseau et de l'épaisseur de la cavité permet de reconnaître les effets d'Électrodynamique Quantique en Cavité dans le domaine THz.<br /><br />Pour la mise en évidence expérimentale des effets EDQC, nous avons fabriqué et étudié des cavités complexes avec une cascades quantique. La croissance de type MOCVD, peu exploitée jusqu'à<br />maintenant pour la fabrication des dispositifs à cascade quantique, a été mis au point avec la perspective de réalisation des dispositifs lasers. Notre étude expérimentale confirme les<br />prévisions théoriques. Un facteur de renforcement de l'émission spontanée de ~ 50 est démontré pour la structure de l'épaisseur la plus faible 0.4 µm. Nous avons ainsi mis en évidence, pour la première fois, l'effet de réduction de l'épaisseur du dispositif rayonnant sur l'émission spontanée dans<br />le domaine THz.<br /><br />Parmi les perspectives sur lesquelles cette étude débouche, on peut citer la réduction de la taille latérale des dispositifs pour obtenir un effet Purcell 3D, et également l'exploitation du plasmon des couches des contact dopées pour la conception et la fabrication des dispositifs photoniques THz compacts de nouveau type.

Dans ce travail, des boîtes quantiques CdSe/ZnSe sont élaborées par épitaxie par jets moléculaires et sont placées dans des microcavités piliers pour contrôler leur émission spontanée. Pour un mode de cavité optique, le confinement du photon dans un volume de l'ordre du cube de la longueur d'onde peut conduire à un raccourcissement marqué de la durée de vie pour un émetteur résonant avec ce mode : c'est l'effet Purcell. <br />Nous présentons une nouvelle méthode d'élaboration de boîtes quantiques CdSe/ZnSe de manière auto-organisée. Des caractérisations structurales par microscopie à force atomique, microscopie électronique à transmission et diffraction de rayons X haute résolution sont présentées. Des études spectroscopiques sur des ensembles de boîtes et des boîtes uniques nous permettent d'étudier la tenue du confinement des porteurs dans nos boîtes quantiques avec la température. Enfin, ces boîtes quantiques sont placées en microcavités piliers pour contrôler leur émission spontanée. Pour la réalisation des microcavités, des couches d'oxydes sont utilisées pour l'élaboration de miroirs de Bragg et la couche active utilise des boîtes quantiques CdSe/ZnSe. Des expériences de photoluminescence résolue en temps sur une série de boîtes quantiques montrent l'obtention de l'effet Purcell dans nos structures. Un raccourcissement de temps de vie d'un facteur trois est observé pour des boîtes quantiques en résonance avec des modes de cavité excités.

Cette thèse étudie l'ingénierie, à partir de boites quantiques uniques (BQ), de sources déterministes de paires de photons intriqués selon deux procédés: l'intrication en polarisation lors de la cascade radiative du bi-exciton, et l'intrication temporelle de deux photons indiscernables. Le degré d'intrication est calculé afin d'évaluer quantitativement l'impact de: la levée de dégénérescence de l'exciton (splitting), le renversement de spin, l'interaction de l'exciton avec son environnement. Dans les deux cas l'intrication peut être restaurée en accélérant la durée de vie radiative de l'exciton par effet Purcell. Pour cela, un moyen approprié est une cavité à cristal photonique gravée dans une membrane suspendue (CP2D) contenant la BQ, qui permet aussi une augmentation de l'efficacité de collection. Les requis technologiques d'alignement de la BQ avec la cavité sont aussi étudiés. Cependant les effets de cavité sont insuffisants pour corriger le splitting, qui peut être réduit avec un champ électrique variable vertical. Ceci a été vérifié expérimentalement en développant une technologie pour produire des diodes PIN compatibles avec les CP2D.

Nous présentons le couplage de nanocristaux colloïdaux II/VI à un environnement contrôlé dans l'objectif d'améliorer leurs performances aussi bien en tant que sources classiques (directivité, affinement spectral, luminance...) qu'en tant qu'émetteurs individuels de photons uniques. <br />Nous avons étudié l'effet d'une surface d'or présentant une résonance plasmon sur la luminescence de nanocristaux individuels. Le couplage des nanocristaux à des opales de silice - des cristaux photoniques à trois dimensions composés de billes de silice de quelques centaines de nanomètres de diamètre - a montré une modification importante du diagramme de rayonnement et une inhibition de 10% du temps de recombinaison spontanée en accord avec des calculs théoriques de modification de la densité locale d'états photoniques. Enfin, une étude théorique et une caractérisation optique de cristaux photoniques deux dimensions gravés dans du nitrure de silicium montre la possibilité de réaliser des structures photoniques pour le visible en vue de l'exaltation de la luminescence d'un nanocristal unique.

Ce travail de thèse porte sur l'étude par spectrophotométrie de phénomènes de couplage entre un émetteur photonique discret et une cavité optique dont les propriétés sont adaptées à l'émetteur. Nous nous sommes intéressés à l'interaction de boîtes quantiques semiconductrices InAs/GaAs avec des microcavités optiques dont la géométrie originale diffère selon les propriétés dont on veut tirer partie. Ainsi, nous partirons de la fabrication de ces systèmes par épitaxie par jets moléculaires, pour nous focaliser sur trois grands types de microcavités, dont nous décrirons à la fois les étapes de fabrication, mais aussi les études optiques réalisées par spectrophotométrie Infra-rouge. Ainsi, les microdisques reportés sur saphir par collage moléculaire ont montré un important potentiel pour la réalisation de microlasers, grâce à de très bonnes propriétés de dissipation thermique. Sur les micropiliers à miroirs de Bragg, nous avons expérimentalement montré pour la première fois la co-existence de modes de galerie et de modes de micropiliers, ainsi que la possibilité d'exploiter l'effet laser sur ces modes, ce qui ouvre de nouvelles perspectives en termes de systèmes photoniques. Nous avons également développé une technique originale et reproductible de métallisation à l'or des flancs et démontré son innocuité sur les propriétés optiques de ces modes, ce qui permet d'envisager son application à d'autres dispositifs. Enfin, nous terminons par la fabrication et l'étude de nano-fils photoniques à boîtes quantiques uniques, dont les capacités prometteuses permettent de conclure à une concurrence sérieuse vis-à-vis des micropiliers en tant que source de photon unique.

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.

La généralisation des communications numériques (téléphonie mobile, courrier électronique, commerce électronique...) rend nécessaire la mise au point de systèmes dont la confidentialité des informations est garantie de manière absolue. L'utilisation des lois de la mécanique quantique comme moyen de cryptage répond à ce critère. Bien que les physiciens théoriciens aient commencé à réfléchir sur ce type de cryptage depuis les années 1970, les dispositifs effectivement utilisables et industrialisables à grande échelle ne sont pas encore disponibles. Parmi les dispositifs qu'il convient de développer et maîtriser, les sources de lumières capables de générer des photons à l'unité tiennent une place centrale. Une des principales difficultés rencontrées dans leur mise au point réside dans la nécessité d'atteindre une efficacité de collection de la lumière émise proche de l'unité. La solution généralement proposée consiste à maitriser leur environnement électromagnétique à l'aide de résonateurs optiques miniaturisés à l'échelle de la longueur d'onde. On peut ainsi bénéficier d'effets d'électrodynamique quantique, tel que l'effet Purcell, pour améliorer, par exemple, la dynamique et/ou la directivité d'émission des photons. La réalisation pratique de sources de photons n'a été rendue possible que par les progrès des nanotechnologies. L'utilisation de la technologie des semi-conducteurs est la voie prometteuse choisie dans ce travail, dans l'objectif de développer des composants miniaturisés et facilement intégrables, à la base d'une nouvelle génération de résonateurs optiques de taille ultime. Dans ce travail de thèse, nous proposons de développer une source de photons uniques utilisant des boites quantiques InAs -comme émetteurs uniques- incluses dans une membrane GaAs dans laquelle on réalise un résonateur optique consistant en une cavité à cristal photonique membranaire. On exploite la technologie des cristaux photoniques afin d'utiliser un unique mode optique résonant, dit mode de Bloch lent non dégénéré, opérant au-dessus de la ligne de lumière. On exploite diverses méthodes numériques pour la conception et la simulation du comportement électromagnétique des dispositifs. Nous effectuons ainsi une ingénierie fine de modes optiques permettant : (1) d'optimiser le facteur de Purcell dans une hétérostructure photonique(puits photonique analogue des puits quantiques électroniques). Nous montrons que le report de cette cavité sur un miroir de Bragg entraîne le doublement du taux de collection des photons, ainsi que de la dynamique d'émission; (2) de contrôler la directivité d'émission du mode pour améliorer l'efficacité d'extraction /collection des photons. Une étude détaillée de l'ingénierie du diagramme de rayonnement est présentée permettant d'appréhender la physique et de prévoir les caractéristiques10de l'émission du mode. Nous montrons, notamment, que la présence du miroir de Bragg peut fortement modifier la directivité d'émission. Les développements technologiques effectués en vue d'obtenir des résonateurs photoniques de hautes qualités sont également exposés. A la longueur d'onde d'émission de 900nm, choisie pour une adaptation optimale aux caractéristiques des détecteurs, la période du cristal photonique nécessaire est de l'ordre de quelques centaines de nm. Les outils et les paramètres de technologie de fabrication (par exemple, calibration de l'épaisseur du masque dur et des paramètres d'exposition de la résine par lithographie électronique) sont exposés en détail.

Cette thèse, à dominante expérimentale, explore la physique d'une cavité Fabry Pérot dont les miroirs sont des réseaux, en l'occurrence un guide multimode à cristal photonique bidimensionnel, autour de thèmes appliqués, aux télécommunications optiques autour de 1,55µm, et fondamentaux. Les parois d'un tel guide sont constituées d'un réseau périodique de trous d'air gravés au travers d'une hétérostructure semi-conductrice à base d'InP et sont, dans la bande interdite photonique, parfaitement réfléchissantes pour toute onde incidente dans le plan de périodicité. La périodicité le long du guide couple par diffraction de Bragg, des modes guidés de vitesse de groupe "ordinaire" et des modes guidés très lents, analogues à des modes résonnants. L'originalité essentielle de ce couplage est qu'il n'intervient que pour des fenêtres de fréquences et de vecteur d'onde étroites, restant pratiquement silencieux ailleurs. Ce couplage est tout d'abord exploité pour la conception d'un coupleur/découpleur de longueurs d'onde, à extraction latérale et sélective de tout ou partie du signal optique guidé. La suite de la thèse, plus fondamentale, explore les potentialités des régions spectrales autour de ces fenêtres de couplage pour l'émission et le contrôle de photons dans ces structures confinantes et diffractives. Nous présentons un effet expérimental spectaculaire d'exaltation de l'émission spontanée, associé à une augmentation locale de la densité d'états photoniques. Le dernier volet aborde la mesure du spectre ed gain modal: l'effet du ralentissement du mode guidé aux abords de la fenêtre de couplage sur l'amplification ressentie par un signal se propageant sur ce mode y est discutée.