Cette thèse est consacrée à l'étude de l'oscillation paramétrique optique et des corrélations quantiques dans des microcavités planaires de semiconducteurs.<br />Dans ces systèmes, un couplage fort lumière-matière conduit à l'apparition de nouveaux états propres qui sont des états mixtes exciton-photon, les polaritons de microcavité. Des effets non-linéaires comme l'oscillation paramétrique optique deviennent possibles. Cependant, certaines limitations existent pour d'éventuelles applications en optique quantique: la nécessité du couplage fort (température de fonctionnement limitée) et l'injection de la pompe à un angle particulier (injection électrique impossible).<br />Nous nous intéressons à des structures qui contournent ces difficultés: <br />- microcavités gravées en fils photoniques où la quantification du champ électrique conduit à un multiplet de modes de polaritons en couplage fort ;<br />- structures originales de microcavités triples où le couplage optique intercavités fournit naturellement une résonance triple pour les fréquences paramétriques. <br />Nous mettons en évidence par des expériences de spectroscopie résolue en angle des processus paramétriques interbranches adaptés à une injection électrique. La pompe excite sous incidence normale les échantillons et les faisceaux signal et complémentaire peuvent être collectés à 0 degré ou à des angles opposés. La contrainte du couplage fort, i.e. de la température, disparaît dans la microcavité triple.<br />Enfin, nous étudions la configuration où signal et complémentaire sont séparés spatialement et équilibrés en intensité. Nous démontrons par des mesures de bruit quantique que ces deux faisceaux sont corrélés quantiquement.

Les corrélations de photons sont à la base d'un certain nombre d'expériences et d'applications (spectroscopie de corrélation de photons, profilométrie haute résolution, cryptographie quantique, téléportation). L'évaluation de ces propriétés de corrélation revêt dès lors une importance toute particulière et correspond à la thématique dans laquelle s'inscrit ce travail de thèse de Doctorat. Tout d'abord, les concepts de compteur de photons par absorption à deux photons ont été (ré)évalués expérimentalement dans différents semiconducteurs et nous ont conduits à établir les bases d'un modèle quantique du comptage à deux photons. Par la suite, l'absorption à deux photons dans les semiconducteurs est appliquée dans une nouvelle technique qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources optiques continues de faibles puissances (0,1 µW au minimum) avec une bande passante allant de 1,1 à 1,7 µm et une résolution de l'ordre de la femtoseconde. Expérimentalement, le montage est conceptuellement proche d'un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss où, dans notre cas, les deux sous-faisceaux décalés dans le temps sont recombinés sur un compteur à deux photons. Grâce à la très large bande passante à deux photons, les corrélations de sources larges spectralement sont caractérisées au moyen de ce montage qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources chaotiques aussi bien que d'un générateur paramétrique à la dégénérescence ou hors de la dégénérescence. Pour la première fois, le phénomène de bunching des photons issus d'un corps noir a été vérifié par une mesure directe. Pour ce qui est de la lumière paramétrique, après avoir développé une source de photons jumeaux, nous avons démontré que notre montage expérimental était à même de mesurer les coïncidences exactes des photons issus d'une même paire aussi bien que les coïncidences accidentelles entre photons de paires différentes en contrôlant les phénomènes de dispersion chromatiques à l'aide d'une paire de prismes. Enfin, deux modèles théoriques originaux de corrélation de photons jumeaux ont été développés, basées sur les approches quantique et classique, et sont en excellent accord avec l'ensemble de nos résultats expérimentaux.

Ce mémoire de thèse a pour sujet l'étude théorique des propriétés non-classiques de la lumière émise par les microcavités semiconductrices dans le régime de couplage fort. Dans ce cadre, nous avons étudié ces structures comme des sources de photons uniques ou de photons jumeaux. Nous avons démontré dans un premier temps l'opportunité de créer une source de lumière de statistique sub-poisonnienne à partir de structures photoniques confinées. Pour des boîtes photoniques suffisamment étroites au sein de microcavités semiconductrices, on atteint un régime non-linéaire tel que l'introduction d'un seul photon suffit à décaler la résonance d'absorption de la structure de plus d'une largeur de raie, engendrant le phénomène de blocage quantique. Nous avons montré qu'en utilisant ce mécanisme de blocage, il est possible de créer une source de photons uniques originale, dont nous avons présenté les caractéristiques. Nous avons présenté les différents aspects de son fonctionnement tant en régime continu qu'en régime pulsé. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de corrélation entre paires signal et complémentaire émises par fluorescence paramétrique dans une configuration d'excitation symétrique dans une microcavité planaire. En utilisant l'algorithme de Monte Carlo quantique, nous avons montré qu'il existe des corrélations quantiques entre ces deux faisceaux. En étudiant l'impact du désordre (qui brise l'invariance par translation) de la cavité sur ces corrélations, nous montrons que celui-ci dégrade le caractère quantique des corrélations lorsque l'intensité de l'excitation est modérée. La dépendance en intensité des corrélations quantiques entre faisceaux a été caractérisée au-dessus et en-dessous du seuil d'instabilité paramétrique, nous permettant d'identifier le régime où le caractère non-classique du système est maximal.

L'avenir des communications quantiques réside dans le développement de répéteurs pour lesquels une mémoire quantique est nécessaire et permet de chaîner plusieurs transferts d'intrication. Ces mémoires exigent une largeur spectrale très étroite (< 100MHz), ce qui impose des contraintes fortes sur la qualité des sources de paires de photons intriqués. Dans le cadre de cette faible largeur spectrale, nous étudions les performances des sources de photons jumeaux basées sur la fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire. Pour assurer la propagation sur de longues distances, les photons sont émis à 1550 nm et couplés dans des fibres optiques. Pour les besoins de synchronisation, nous nous intéressons au cas de sources impulsionnelles. Après une étude de l'effet de leurs différents degrés de liberté sur leurs performances, nous apportons deux contributions utiles à la réalisation de sources optimales. La première, basée sur une étude théorique confirmée par l'expérience, est un résultat nouveau et général donnant les conditions optimales d'interaction paramétrique en vue de maximiser non pas la brillance de la source, mais l'efficacité d'extraction des paires, critique du point de vue de la qualité. La seconde contribution consiste en une technique originale de mesure directe de cette efficacité d'extraction. Outre les mesures de taux de détection (coups simples et coïncidences) effectuées par exemple lors d'une mesure de Bell, cette technique ne fait appel qu'à la connaissance de la forme spectrale du filtrage des photons jumeaux. Ces résultats théoriques de portée générale, et la technique simple développée, constituent deux éléments d'une étude détaillée des sources basée sur la fluorescence paramétrique.

Ce travail est consacré à l'étude d'effets d'optique quantique et de dynamique de spin dans les microcavités semi-conductrices. La réponse optique de ces dispositifs est décrite en termes de modes mixtes exciton-photon, les polaritons de cavité.<br />Nous avons d'abord effectué une étude théorique et expérimentale d'un mélange à quatre ondes dégénéré, sous excitation résonnante par deux faisceaux pompe se propageant en sens inverse, de même polarisation linéaire. Les états finaux du processus ont une polarisation orthogonale à celle des faisceaux pompes et sont fortement corrélés en intensité. Lorsque les deux faisceaux pompes ont des polarisations croisées, le processus est totalement inhibé. Ce processus permet d'utiliser la microcavité comme une porte logique binaire optique.<br />Nous avons ensuite généré des photons corrélés quantiquement en utilisant un mélange à quatre ondes, sous excitation résonnante par un faisceau pompe, dans une microcavité triple.<br />Enfin, nous avons étudié l'effet Hall optique de spin et mis en évidence la propagation de courants de spin excitonique sur une centaine de microns.

Ce mémoire présente une étude expérimentale des fluctuations spatiales d'origine quantique de l'intensité dans des images en amplification paramétrique optique (OPA). Dans un premier temps nous avons caractérisé la réponse d'une caméra CCD lors de la mesure du bruit de photons dans le plan transverse de l'image. Pour cela, nous avons montré la pleine aptitude des capteurs silicium pour le domaine visible (527 nm) et leur mauvaise réponse dans le proche IR (1055 nm). Puis nous avons calibré le capteur sur toute sa dynamique afin d'éliminer l'inhomogénéité de réponse des pixels et ainsi mesurer le bruit de photons dans des images faibles ou intenses. D'autre part, nous avons étudié les aspects quantiques des OPA. L'amplification à l'aide d'un cristal de BBO de type I d'images (527 nm) dominées par le bruit quantique à l'aide d'une pompe UV (264nm) s'est imposée comme le meilleur compromis expérimental. Nous avons mis au point un montage et un protocole de mesure permettant la comparaison entre l'amplification sensible à la phase (PSA) et l'amplification insensible à la phase (PIA). Dans le cas d'une PIA, nous avons mis en évidence la dégradation du rapport signal à bruit. Pour la configuration PSA, nous avons réalisé la première amplification paramétrique d'images sans bruit spatial. Pour ces deux cas, les valeurs expérimentales sont en accord avec la figure de bruit attendue. De plus, nous avons étudié la distribution des fluctuations spatiales de la fluorescence paramétrique. L'emploi d'impulsions brèves et un fort filtrage des longueurs d'onde ont permis la caractérisation directe de la distribution de Bose-Einstein pure.