Dans ce travail de thèse, on s’intéresse aux applications des concepts d’antenne pour la manipulation de la lumière. Aux fréquences optiques, les antennes métalliques font intervenir des modes de surfaces dit plasmoniques permettant une forte interaction lumière/matière dans des volumes hautement confinés. Pour tirer partie de cette propriété, on s’intéressera à trois applications des antennes plasmoniques. D’abord dans le cadre des sources de photons uniques, on présentera une étude théorique et expérimentale des performances d’émetteurs uniques en présence d’une antenne planaire métallique. Nous proposerons ensuite une stratégie pour améliorer les performances de l’antenne. Puis dans le cadre de la génération électrique de lumière par effet tunnel inélastique, on analysera la modification des propriétés de rayonnement en présence d’un petit cylindre métallique. Cette analyse ouvre la voie à la conception de sources électriques intégrées de plasmons de surface. Enfin dans le cadre de la détection de molécules en faible quantité, on étudiera théoriquement l’interaction d’un faisceau infrarouge avec une couche de molécules résonnantes déposées sur un miroir métallique nanostructuré. / The work of this thesis has been devoted to a few applications of antenna concepts for the manipulation of light. In the optical range, surface modes called surface plasmon polaritons take place in the vicinity of metallic antennas, enabling a strong light/matter interaction within highly confined volumes. In order to take advantage of this property, three applications of plasmonic antennas will be investigated. First, in the case of single-photon sources, both theoretical and experimental studies of single-emitters performance when coupled to a planar metallic antenna will be presented. A strategy to enhance its performance will be studied theoretically. Then, in the case of electrical generation of light by inelastic electron tunneling, we will analyse the modification of radiation properties close to a metallic nano-rod. This analysis paves the way towards the design of integrated, compact electrical sources of surface plasmons. Finally, in the case of detecting a weak quantity of molecules, the interaction between an infrared light beam and a sub-nanometric layer of resonant molecules deposited on a nanostructured metallic mirror will be studied.

Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l’information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d’intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d’InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d’expérience d’interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L’intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87±0.04, et une visibilité des interférences de 0.60±0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704±0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d’injecter des photons à partir d’un laser continu indépendant a été développé. L’interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76±0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l’interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l’électron et le temps de dépolarisation du noyau. / Semiconductor quantum dots offer an attractive route towards efficient and high-quality photon sources for optical quantum information applications, with potential for miniaturization and integration on chip. Here, entangled photon pairs are generated in the biexcitonic radiative cascade resulting from electrical excitation of InAs self-assembled quantum dots placed in a p-i-n diode. In a first set of experiments the non-classical polarisation correlations and the ability to interfere the photons in two-photon interference experiments was verified, finding entanglement fidelities of up to 0.87±0.04 and interference visibilities up to 0.60±0.05. Encouraged by the two-photon interference experiments, the first directly electrically driven teleporter was implemented in a single-mode fibre circuit. An average fidelity of 0.704±0.016 was achieved for six states symmetrically distributed on the Poincaré sphere, beating the classical limit of 2/3 and proving that quantum teleportation is taking place. A modified teleportation setup allowed for the accommodation of input photons from an independent CW laser. Two-photon interference between the dissimilar light sources was demonstrated and quantum beats could be observed. Quantum teleportation of polarisation states carried by laser photons was then performed with average fidelity 0.76±0.012. Controlling confined charge carriers in nano-scale systems such as quantum dots requires a deep understanding of the underlying material physics, even on the nuclear level. Voltage control of electron-nuclear hyperfine spin interactions was demonstrated using a charge-tuneable device. Modelling suggests that the mechanism is controlled mainly via the electron hyperfine correlation time and the nuclear depolarisation time.

Cette thèse a porté principalement sur la caractérisation de nanocristaux dont la structure permet de réduire de façon drastique leur scintillement. La caractéristique essentielle de ces nanocristaux de CdSe est qu'ils sont entourés d'une coquille épitaxiée très épaisse de CdS qui les préserve d'interactions trop importantes avec l'extérieur. La réalisation d'une coquille très épaisse permet de supprimer les longues périodes d'extinction. De plus, on a pu vérifier que si le trou reste localisé dans le coeur du nanocristal, l'électron est délocalisé dans l'ensemble de la structure. Cet effet de délocalisation provoque une réduction de l'efficacité des processus Auger. À bas taux de pompage, cette propriété implique que les nanocristaux ne présentent plus d'états réellement éteints. Ce résultat, associé aux mesures des durées de vie correspondant aux périodes d'extinction et d'émission, nous a permis de calculer les taux de recombinaisons des différents processus en jeu dans un nanocristal faiblement excité, qu'il soit neutre ou ionisé. A plus fort taux de pompage, nous montrons la possibilité d'observer des cascades radiatives consécutives à des recombinaisons d'états multiexcitoniques. La dernière partie a été consacrée à des premiers résultats concernant le contrôle de l'émission de nanocristaux par leur insertion dans des cavités photoniques à miroirs de Bragg. Nous observons l'émission de photons uniques et nous démontrons l'effet de la cavité sur la durée de vie radiative des nanocristaux.

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.

Nous avons étudié expérimentalement des propriétés de la lumière émis par des objets individuels. Nos études ont essentiellement porté sur la fluorescence d'émetteurs individuels en vue de disposer d'une source de photons uniques déclenchée fonctionnant à température ambiante et utilisable pour la cryptographie quantique. Cette source repose sur l'excitation impulsionnelle d'un seul émetteur placé au foyer d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique. Sur un système moléculaire organique, nous avons mis en évidence le caractère non-classique de la lumière émise. Nous avons étudié le bruit d'intensité en mesurant le paramètre de Mandel de la distribution temporelle de photons. Une réduction du bruit par rapport à une source de lumière classique équivalente est observée aux temps courts. La technique de mesure mise au point, qui repose sur l'acquisition de tous les instants d'arrivée des photons détectés, permet en outre de remonter à la dynamique de la molécule, fournissant ainsi une alternative à l'enregistrement direct des corrélations temporelles habituellement utilisé.<br />Pour pallier l'inévitable photoblanchiment des molécules de colorants, difficilement compatible avec les applications, nous leur avons préféré un centre coloré unique dans un nanocristal de diamant. Ce dernier se comporte du point de vue de sa fluorescence comme un système moléculaire avec l'avantage supplémentaire d'être parfaitement photostable à température ambiante. Nous avons utilisé la source de photons uniques reposant sur ce centre coloré dans une expérience de distribution quantique de clé de cryptage avec une transmission des photons en espace libre. Nous avons montré qu'une telle source permettait encore le partage d'une clé sûre en présence d'une forte atténuation sur la ligne, là où les impulsions laser atténuées ne peuvent plus permettre un tel partage de secret.<br />Nous décrivons également dans ce mémoire quelques résultats obtenus sur la génération de second harmonique par des nanocristaux organiques et l'utilisation d'un tel signal comme diagnostic du caractère cristallin du nano-objet ainsi détecté. Enfin, nous concluons sur le projet en cours portant sur la manipulation cohérente d'un spin individuel d'un centre coloré du diamant, pour le traitement quantique de l'information.

Une source de photons uniques est un émetteur lumineux capable de produire des impulsions contenant exactement un photon. Nous présentons le travail lié à la réalisation expérimentale et à la caractérisation statistique de deux types de sources de photons uniques: * Les sources déclenchées de photons uniques, reposant sur la contrôle de la fluorescence d'un émetteur individuel. Nous avons utilisé des molécules uniques ainsi que des centres colorés NV uniques du diamant comme émetteurs individuels. * Les sources de photons annoncés, reposant sur la préparation conditionnelle d'états à un photon à partir de paires de photons produites par fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire. Deux des sources de photons uniques réalisées ont été utilisées dans des expériences de distribution quantique de clé, dont les résultats illustrent les avantages que procure l'utilisation d'une source de photons uniques vis-à-vis de systèmes reposant sur des impulsions cohérentes atténuées.

Ce travail de thèse aborde le contrôle de l'émission spontanée d'émetteurs, ici des boîtes quantiques d'InAs, confinées via des microstructures originales: des fils photoniques GaAs et des micropiliers à miroirs de Bragg GaAs/AlAs. Ainsi, nous présentons une source de photons uniques de très haute efficacité à fil photonique. Les mesures de corrélation réalisées sur une boîte quantique unique insérée dans un fil photonique a permis de montrer la génération très propre et large bande de photons uniques. C'est l'optimisation de cette géométrie incluant un miroir original au pied du fil et la présence d'une pointe de forme conique à son extrémité, qui a permis d'obtenir une efficacité record de 70%. De plus, l'étude systématique de temps de vie de boîtes quantiques uniques montre la possibilité d'observer avec cette géométrie une forte inhibition de l'émission dans les modes non-guidés. La dernière partie de ce manuscrit met en évidence l'effet laser dans des micropiliers à modes de galerie. Ces modes de galerie présentent un comportement relativement stable en longueurs d'ondes ainsi qu'un affinement spectral se maintenant jusqu'à sept fois le seuil laser. Ce résultat confirme une meilleure stabilité thermique des micropiliers par rapport à la géométrie habituellement utilisée pour observer les modes de galerie: les microdisques.

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.

Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information etde l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optiqueintégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est ledéveloppement de sources de photons unique aux longueurs d'onde des télécommunications fibrés.Durant ce travail de thèse les émetteurs étudiés sont des boîtes quantiques d'InAsP épitaxiés parEPVOM (Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques). On démontrera que ces objets uniquessont capables d'émettre des états quantiques de la lumière grâce à une expérience de dégroupement dephotons. De plus la spectroscopie de ces objets sera déduite des études résolues en temps. Lapossibilité d'intégrer ces objets au sein de nanocavité de taille ultime permet de modifier leur tauxd'émission spontanée, ainsi les résultats obtenus grâce aux cavités métalliques permettent d'observerune accélération de l'émission spontanée sur une large bande spectrale. Finalement il a été mis enévidence une forte modification de l'émission d'un ensemble de boîtes quantiques entre 4K et 300K,en utilisant une technique originale basé sur l'effet laser.

Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l'information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d'intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d'InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d'expérience d'interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L'intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87±0.04, et une visibilité des interférences de 0.60±0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704±0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d'injecter des photons à partir d'un laser continu indépendant a été développé. L'interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76±0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l'interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l'électron et le temps de dépolarisation du noyau.