Cette thèse a été consacrée à l'étude théorique et expérimentale du couplage contrôlé de la source de photon unique (SPS) aux structures photoniques multidimensionnelles, par l'utilisation de la méthode dite écriture directe par laser (DLW) par absorption ultra-faible à un photon (LOPA). La thèse est constitutée de trois parties principales suivantes:La première partie concerne le caractérisation et l'optimisation des dots quantiques (QD) colloïdaux CdSe/CdS. La dépendance de la longeur d'onde d'excitation a été étudiée. En utilisant une excitation à 532 nm, seul le core est excité et l’effet d'Auger est donc supprimé. Cette approche permet donc d'obtenir avec la suppression de la commutation intermittente et une source de photon unique très stable à température ambiante. Afin d’obtenir une meilleure performance des QDs sur une longue période, nous avons ensuite étudié l'influence du milieu dans lequel les QDs sont logés sur leurs propriétés optiques. En intégrant les QDs dans les matrices de polymère SU-8, nous avons montré que l'environnement polymérique permet non seulement de conserver de bonnes caractéristiques des QDs CdSe/CdS avec une photostabilité élevée, mais également de nous offrir une excellente accessibilité à la fabrication des structures en polymère contenant une particule unique.Dans la deuxième partie, la technique LOPA DLW est utilisée pour le couplage des QDs uniques dans diverses structures photoniques. Deux dispositifs, l’antenne du type ''pilier diélectrique'' sous-lambda et la membrane de réseau circulaire (cavité du type ''bulleye''), ont été étudiés théoriquement et expérimentalement pour améliorer l’émission du QD couplé en termes de l'émission spatiale et de l’émission radiative spontanée de l’émetteur.Dans la troisième partie, la manipulation de la SPS est démontrée en couplant le QD unique à des structures magnéto-photoniques multidimensionnelles. À l'aide d'un champ magnétique externe, le mouvement contrôlable d'un seul QD a été démontré dans un environnement fluidique. En contrôlant l'amplitude et l'orientation du champ magnétique externe, la position et l'orientation de la SPS à base d'un QD ont été manipulées à la demande. Les propriétés optiques, magnétiques et mécaniques des dispositifs magnéto-photoniques hybrides ont été étudiées pour montrer les capacités multifonctionnelles de telles structures. / The thesis has been devoted to study the controlled coupling of a colloidal quantum dot (QD) based single photon source (SPS) into multidimensional polymeric photonic structures by using low-one photon absorption (LOPA) direct laser writing (DLW) technique. The thesis consists of three main parts:The first part addresses the characteristic optimization of the CdSe/CdS based SPS. The excitation wavelength dependence of the QDs was investigated. By using 532 nm, only the core of the QD is excited with the suppression of the Auger effects. Thus, this approach allows for obtaining the suppression of fluorescence intermittency and a stable single-photon emission at ambient conditions. In order to obtain the long-term high fluorescence quality of the QDs, we then studied the influence of the local dielectric medium on the optical properties of the QDs. By incorporating the QDs into a photoresist (SU-8), we demonstrated that the polymeric environment not only enables the long-term preservation of the QD with high photostability but also provides us excellent accessibility to fabricate polymeric structures containing SPS.In the second part, the LOPA-based DLW is employed for the coupling of single QD into various photonic structures. Two devices including submicropillar dielectric antenna and 3D membrane bulleye cavity are theoretically and experimentally investigated to enhance the fluorescence emission of the single QD in terms of far-field angular radiation pattern and the spontaneous radiative emission of the emitter.In the third part, the manipulation of SPS is demonstrated by coupling the single QD into multidimensional magneto-photonic structures. With the aid of an external magnetic field, the controllable movement of the coupled QD was performed in the fluidic environment. The position and orientation of the SPS coupled in the structure were manipulated on demand. The mechanical, magnetic and optical properties of the device are investigated showing the multifunctional capabilities of magneto-photonic structures.

Dans ce travail, nous étudions théoriquement et expérimentalement le couplage entre une nanoparticule unique de différentes natures, comme fluorescente, non-linéaire, plasmonique, etc., et une structure photonique en matériau polymère. Dans un premier temps, nous avons optimisé la méthode dite écriture directe par laser par absorption à un photon pour réaliser des structures photoniques de bonne qualité à la demande. Ensuite, nous avons également exploité l'effet thermique induit par le laser d’excitation continue, pour simplifier la méthode de fabrication LOPA et améliorer les structures fabriquées. Puis nous avons introduit de façon précise une seule nanoparticule unique à un endroit désiré dans la structure photonique. Le couplage nanoparticule/structure photonique a été réalisé par le même système optique. Ce couplage a été démontré par une augmentation du nombre de photon émis par la nanoparticule fluorescente et par une forte amélioration du signal de génération de seconde harmonique. Parallèlement, nous avons effectué des calculs numériques par la méthode FDTD pour prédire les propriétés optiques intéressantes des structures photoniques et pour confirmer les résultats expérimentaux. / In this study, we investigate theoretically and experimentally the nanoparticles/photonic structures coupling. In detail, the work focuses on the elaboration and applications of structured polymer materials, as well as the manipulation of optical properties of various kinds of nano-objects such as gold nanoparticles, magnetic and nonlinear nanoparticles, etc. The coupling of each kind of nanoparticles addresses a specific goal. In order to conduct research, we first build and test an optical confocal setup, which allows us to both image and fabricate nanostructures at a sub-lambda resolution. Besides, we propose a method exploiting the thermal effect caused by a continuous-wave laser source to optimize 2D and 3D structures realized by low one-photon absorption (LOPA)-based direct laser writing (DLW). Then by using this technique, we are capable of precisely determining the position and embedding various kinds of nanoparticles (gold nanoparticles, nonlinear nanoparticles, and magnetic nanoparticles) into arbitrary polymeric photonic structures. The characterization of the fabricated structures is carried out using the same confocal setup. We demonstrate a good enhancement of the optical properties of the nanoparticles embedded inside photonic structures. We also perform numerical calculations by using a FDTD method to confirm the experimental results.

L'information quantique et ses protocoles de cryptographie, de téléportation et de calcul ont trouvé dans les sources quantiques de lumière un ensemble d'outils à très fort potentiel. Les sources de photons uniques déclenchées en font évidement partie, tout comme les sources de photons jumeaux, sur lesquelles reposent l'émission de photons annoncés ou la production de paires de photons intriqués en polarisation. Les sources quantiques de lumière ne cessent de trouver de nouvelles applications comme par exemple l'intrication conditionnelle d'émetteurs de photons uniques par la mesure conjointe des photons qu'elles émettent, l'augmentation d'intrication de faisceaux EPR ou encore le stockage de photons uniques dans des vapeurs atomiques.<br /><br />L'ensemble de mes activités de recherche s'inscrit dans ce mouvement. Mes travaux ont porté en grande partie sur les sources de photons uniques et les sources de paires de photons, ainsi que leurs applications à la cryptographie quantique, à la téléportation quantique et au calcul quantique. Mes travaux s'ouvrent maintenant sur la suite: variables continues, mémoires quantiques et téléportation d'états non classiques sont probablement les prochaines étapes.