Дисертації з теми "Photonique quantique"

Le but de cette thèse est de développer des sources d'intrication photonique pour étudier les réseaux de communication quantique et l'optique quantique fondamentale. Trois sources très performantes sont construites uniquement autour de composants standards de l'optique intégrée et des télécommunications optiques. La première source génère de l'intrication en polarisation via une séparation deterministe des paires de photons dans deux canaux adjacents des télécommunications. Cette source est donc naturellement adaptée à la cryptographie quantique dans les réseaux à multiplexage en longueurs d'ondes. La seconde source génère, pour la première fois, de l'intrication en time-bins croisés, autorisant l'implémentation de crypto-systèmes quantiques à base d'analyseurs passifs uniquement. La troisième source génère, avec une efficacité record, de l'intrication en polarisation via un convertisseur d'observable temps/polarisation. La bande spectrale des photons peut être choisie sur plus de cinq ordres de grandeur (25 MHz - 4 THz), rendant la source compatible avec toute une variété d'applications avancées, telles que la cryptographie, les relais et les mémoires quantiques. Par ailleurs, cette source est utilisée pour revisiter la notion de Bohr sur la complémentarité des photons uniques en employant un interféromètre de Mach-Zehnder dont la lame s ́eparatrice de sortie se trouve dans une superposition quantique d'être à la fois présente et absente. Enfin, pour adapter la longueur d'onde des paires des photons télécoms intriqués vers les longueurs d'ondes d'absorption des mémoires quantiques actuelles, un convertisseur cohérent de longueur d'onde est présenté et discuté.

Situées entre l'infrarouge et les micro-ondes, les ondes dites "terahertz" (THz) ont les propriétés de passer aussi bien à travers la peau et les vêtements que les papiers, le bois, le carton ou encore le plastique. Autant d'atouts qui permettent d'envisager de multiples applications dans les secteurs de l'imagerie médicale, de la spectroscopie, de la sécurité et de l'environnement. D'où l'intérêt que suscitent les lasers à cascade quantique terahertz, une récente famille de lasers semi-conducteurs qui émettent à des fréquences de l'ordre du terahertz. Pourtant, s'ils sont aujourd'hui les seules sources compactes fonctionnant dans cette gamme de fréquences, ils présentent deux inconvénients : Premièrement, ils ne fonctionnent qu'à des températures cryogéniques. En vue d'une augmentation future de la température maximale de fonctionnement (Tmax), nous avons développé une étude comparative en fonction de la fré- quence d'émission, ce qui a permis de déterminer les mécanismes principaux limitant la Tmax (courant parasite ainsi que l'émission de phonons optiques lon- gitudinaux activés thermiquement). Deuxièmement, afin d'obtenir les meilleures Tmax, l'utilisation d'un guide métal- métal est nécessaire. Néanmoins, dans un tel guide, l'émission obtenue est fortement divergente, ce qui s'avère rédhibitoire pour une utilisation généralisée. Pour résoudre ce point, nous avons intégrés des cristaux photoniques bidimensionnels définis uniquement par la géométrie du métal supérieur, ce qui a permis l'obtention d'une émission directive par la surface, spectralement mono-mode, tout en maintenant des températures de fonctionnement assez élevées.

Cette thèse s'articule autour de l'étude de la cohérence de la lumière produite à partir de sources de paires de photons intriqués et de micro-lasers. Nous avons produit et manipulé des états photoniques intriqués, et conduit des investigations à la fois fondamentales et appliquées. Les deux études menées sur les aspects fondamentaux de la non localité avaient pour but de relaxer partiellement deux contraintes sur lesquelles s'appuie l'inégalité de Bell standard en vue d'applications à la cryptographie quantique. Ainsi, en collaboration avec l'Université de Genève, nous avons redéfini la notion de localité en prenant en compte les influences sur les mesures de corrélations des choix des configurations expérimentales et d'une efficacité globale de détection limitée. Cela a permis de définir des inégalités de Bell généralisées et les violations expérimentales qui en découlent permettent d'attester de la non localité des états quantiques observés. Nous avons aussi étudié et mis en place une solution expérimentale autorisant l'émission de photons intriqués dans des pairs de canaux télécoms pour la cryptographie quantique. Nous avons montré la préservation de l'intrication sur 150 km et obtenu des débits records en comparaison avec les réalisations similaires. Enfin, nous avons étudié les propriétés de l’émission de lasers à semi-conducteurs aux dimensions réduites. L’émission de ces composants microscopiques s'accompagne de grandes fluctuations en intensité lorsque ceux-ci sont pompés en-dessous du seuil laser. Cette étude a permis de mieux comprendre comment se construit la cohérence laser dans ces systèmes
In this thesis we study the coherence of light emitted by entangled photon-pair sources and micro-lasers. We have generated an manipulated entangled photonic states and investigated both fundamental (non locality) and applied (quantum cryptography) research directions. The objective of two fundamental studies on non locality was to partially relax the strong assumptions on which standard Bell tests rely. To this end, we redefined, in collaboration with the University of Geneva, the formalism of locality taking into account the influence, on correlation measurements, of the freedom of choice (in the basis settings) and of the limitation of the overall detection efficiency. Both assumptions allow devising generalized Bell inequalities whose experimental violations indicate that we can still attest for non locality for the observed states. In addition, we have studied and realized an experimental setup allowing to distribute entangled photon pairs in paired telecom channels for high bit rate quantum cryptography. We have shown that entanglement is preserved over a distance of 150 km with record rates for similar realizations, by mimicking classical network solutions exploiting, in an optimal fashion, the capacity of an optical fiber link via dense spectral multiplexing. Finally, we have studied the properties of light emitted by semiconductor lasers showing reduced dimensionality. This micro-lasers actually provide output light under high intensity fluctuations when they are pumped below the threshold. Their study allowed to refine our understanding on how the coherence builds up in these systems as the cavity is filled with photons

Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique en vue d'applications en sciences information quantique. Dans ce contexte, nous présentons une source très performante et entièrement guidée permettant, au moyen d'une boucle de Sagnac, la génération d'états hyper-intriqués en polarisation et en énergie-temps. La configuration guidée rend le dispositif versatile, efficace et compatible avec une large bande spectrale, répondant ainsi au besoin des systèmes et réseaux de communication fibrés. À cette fin, nous avons distribué simultanément dans différents canaux télécoms des paires de photons hyper-intriqués au moyen de multiplexeurs en longueur d'onde à 5 canaux (DWDM), augmentant de fait le débit. La qualité de l'intrication est validée par la violation d'une inégalité de Bell étendue à un espace de Hilbert à 16 dimensions. Afin de pouvoir interfacer des photons aux longueurs d'ondes des télécommunications avec les bandes d'absorption des mémoires quantiques situées dans le visible, nous avons également développé une interface cohérente en longueur d'ondes. Un nouveau dispositif de métrologie quantique permettant la mesure avec une précision inégalée des effets de la dispersion chromatique dans les fibres optiques standards est également proposé. Notre approche "quantique" améliore la précision par un facteur 2.6 par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Dans ce même contexte, nous avons aussi implémenté un nouveau protocole de métrologie de la phase de deux photons en ne détectant uniquement qu'un seul photon. Cette réalisation ouvre la voie à des applications potentielles simples s'appuyant sur peu de ressources au niveau de la détection. Finalement, dans la perspective de la miniaturisation de dispositifs quantiques, nous avons démontré un générateur d'intrication annoncée intégré sur puce qui trouve des applications en calcul et métrologie quantique
The aim of this thesis was to develop photonic entanglement sources and study their implementation in the general field of quantum information technologies. To this end, a novel fully wave-guided, high performance photonic entanglement source is presented, able to generate hyper-entangled states in the observables of polarization and energy-time by means of a nonlinear Sagnac loop. The waveguide-based design makes it flexible, reliable, and adaptable to a wide spectral range, paving the way towards compact photonic entanglement generators, compatible with fiber-based communication systems and networks. This has been underlined by generating and distributing hyperentanglement in 5x2 dense wavelength division multiplexed channel telecom pairs, simultaneously, towards higher bit rates. The quality of the generated entanglement has been qualified by violating the Bell inequalities in a 16-dimension Hilbert space. Moreover, to adapt the wavelength of the entangled telecom photon pairs to the absorption wavelength of current quantum memory systems, a coherent wavelength converter is demonstrated. Furthermore, within the framework of quantum metrology, a new concept for a high-precision chromatic dispersion (CD) measurement in standard single mode fibers is introduced and demonstrated. In this demonstration, due to conceptual advantages enabled by quantum optics, an unprecedented 2.6 times higher accuracy on CD measurements is shown, compared to state-of-the-art techniques. In the same context, a new protocol for measuring two-photon phase shifts is performed using single photon detection only, promising scalable and potential real device applications with limited resources and simplified detection schemes. Finally, any potential application of quantum optics will be realized using small-scale devices. In this framework, an integrated on-chip heralded path entanglement generator is demonstrated, and shown to be adaptable to logic gate operations

La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons
The recent field of Josephson photonics is about the interplay between circuit quantum electrodynamic and dynamical Coulomb blockade. It explains and studies the ability of a Cooper pair to inelasticity tunnel through a DC-biased Josephson junction by dissipating the Cooper pair energy in the electromagnetic environment of the junction in the form of photons.This thesis focuses on two aspects of the Josephson photonics:• Control over the statistics of the emitted photons with focus on Generation of non-classical photons;• Stimulated emission of photons leading to Amplification with added noise at the quantumlimit.These devices are powered with a simple DC voltage used to biased the Josephson junction. Such devices can be a new solution in a frequencies range where only few simple alternative solutions are now available.We have studied our devices with two theories, P-theory and input output theory, to derive working characteristics of our devices : Photon rate, gain, noise, bandwidth, compression point. The measured samples are made of niobium nitride and the electromagnetic environment of the junction is engineered to fulfil our needs. The possibility to select the photonic processes at will by engineering the electromagnetic environment permits to imagine further devices: other types of sources, wideband amplifiers, photon detectors

Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques de boîtes quantiques InAs/GaAs contenues dans un fil photonique. Des résultats antérieurs à cette thèse ont montré que ces fils photoniques permettent d'extraire les photons avec une efficacité très élevée.Le premier résultat original de ce travail est l'observation de la dérive temporelle de la raie d'émission de la photoluminescence d'une boîte quantique. Cet effet a été attribué à la lente modification de la charge de surface du fil due à l'absorption des molécules d'oxygène présentes dans le vide résiduel du cryostat. Nous avons montré qu'une fine couche de Si3N4 permettait de supprimer cette dérive. La dérive temporelle pouvant être différente pour différentes boites quantiques, nous avons pu tirer partie de cet effet pour mettre en résonance deux boites quantiques contenues dans le même fil.Le deuxième résultat original est la mise en évidence de la modification de l'énergie d'émission d'une boîte quantique soumise à une contrainte mécanique induite par la vibration du fil. Nous avons observé que le spectre de la raie d'émission d'une boîte quantique s'élargit considérablement lorsque le fil est mécaniquement excité à sa fréquence de résonance. A l'aide d'une illumination stroboscopique synchronisée avec l'excitation mécanique, nous avons pu reconstruire l'évolution du spectre d'une boîte quantique au cours d'une période de la vibration mécanique. L'amplitude de l'oscillation spectrale de la raie de luminescence dépend de la position de la boîte dans le fil à cause d'un très fort gradient de contrainte. En utilisant deux modes d'oscillation mécanique de polarisations linéaires et orthogonales, nous pouvons extraire une cartographie complète de la position des boîtes quantiques à l'intérieur du fil. Enfin, grâce à ce gradient, on peut, dans certains cas, trouver une position du fil pour laquelle deux boites quantiques peuvent être amenées en résonance.

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.

Les lasers à cascade quantique émettant dans le moyen-infrarouge sont des lasers semi-conducteurs unipolaires qui sont devenus des sources couramment utilisées pour des applications telles que la spectroscopie de gaz, les communications en espace libre ou les contre-mesures optiques. Appliquer une perturbation externe, typiquement une contre-réaction optique ou de l’injection optique, entraîne une forte modification des propriétés d’émission du laser à cascade quantique. La contre-réaction optique influe sur les propriétés statiques du laser Fabry-Perot ou à contre-réaction répartie, conduisant à une augmentation de la puissance, à une diminution du seuil, à une modification du spectre optique qui peut devenir monomode ou multimode, et à une amélioration de la qualité de faisceau dans les lasers à ruban large fortement multimode transverses. Cela induit également un comportement dynamique différent, et un laser à cascade quantique soumis à de la contre-réaction peut osciller périodiquement ou même devenir chaotique : ce travail présente la toute première observation d'instabilités optiques dans le moyen-infrarouge. De plus, une étude numérique de l’injection optique montre que les lasers à cascade quantique peuvent se verrouiller optiquement sur une plage de plusieurs gigahertz, sur laquelle leur stabilité devrait être accrue et leur bande passante de modulation significativement augmentée. Une dynamique prometteuse apparaît également en dehors de la zone de verrouillage, avec l’apparition d’oscillations périodiques à une fréquence accordable ainsi que des événements isolés de forte intensité. Un laser à cascade quantique soumis à un contrôle externe peut donc être une source très performante pour les applications moyen-infrarouges usuelles, mais pourrait aussi en adresser de nouvelles, telles que des oscillateurs photoniques accordables, des générateurs d’événements rares, des LIDAR chaotiques, des communications sécurisées par chaos ou des contre-mesures imprévisibles
Mid-infrared quantum cascade lasers are unipolar semiconductor lasers, which have become widely used sources for applications such as gas spectroscopy, free-space communications or optical countermeasures. Applying external per-turbations such as optical feedback or optical injection leads to a strong modification of the quantum cascade laser prop-erties. Optical feedback impacts the static properties of mid-infrared Fabry-Perot and distributed feedback quantum cas-cade lasers, inducing power increase, threshold reduction, modification of the optical spectrum, which can become either single- or multimode, and enhanced beam quality of broad-area transverse multimode lasers. It also leads to a different dynamical behavior, and a quantum cascade laser subject to optical feedback can oscillate periodically or even become chaotic: this work provides the very first analysis of optical instabilities in the mid-infrared range. A numerical study of optical injection furthermore proves that quantum cascade lasers can injection-lock over a few gigahertz, where they should experience enhanced stability and especially improved modulation bandwidth. Furthermore, some promising dynamics appear outside the locking range with periodic oscillations at a tunable frequency or high-intensity events. A quantum cascade laser under external control could therefore be a source with enhanced properties for the usual mid-infrared applications, but could also address new applications such as tunable photonic oscillators, extreme events gen-erators, chaotic LIDAR, chaos-based secured communications or unpredictable countermeasures

Après une première révolution quantique marquée par l'avènement de la physique quantique et de ses lois contre-intuitives, le monde du XXIe siècle est en proie à une seconde révolution articulée autour des technologies quantiques. Ces dernières promettent un bouleversement important dans les domaines de la communication, du calcul, de la simulation et de la métrologie. Dans cette thèse, nous abordons deux des quatre sous-domaines cités précédemment, à savoir ceux de la communication et de la métrologie quantique. Le mot d'ordre rassemblant ces travaux est l'intrication. En effet, nous montrons que, grâce à cette propriété fondamentale, les performances des systèmes de communication et de métrologie standards peuvent être surpassés. Ainsi, nous présentons comment générer ces états intriqués responsables de l'avantage quantique, et ce sur différentes plateformes technologiques. La première plateforme exploitée est le silicium. Récente pour la photonique, elle combine des avantages de maturité permettant l'intégration de nombreuses structures micrométriques sur une même puce, avec des propriétés non-linéaires, basés sur des processus d'ordre 3, efficaces. Le silicium se destine alors à de nombreuses applications comme nous le montrons en générant des paires de photons intriqués démultiplexés spectralement et directement compatibles avec les réseaux de télécommunications standards. La seconde plateforme que nous présentons est le niobate de lithium. Cette dernière, très exploitée dans bon nombres de travaux en photonique quantique, possède une efficacité de génération de paires de photons intriqués très importante, notamment grâce à l'exploitation de processus non-linéaires d'ordre 2. Nous détaillons une expérience de génération d'états hyper-intriqués, qui, à l'instar du silicium, est orientée vers le domaine de la communication quantique. Enfin, nous exploitons aussi ces paires de photons intriqués combinés à des méthodes d'interférométrie quantique afin de réaliser une expérience de métrologie quantique. Le but de cette dernière étant de mesurer avec une précision inédite la différence d'indices de réfraction de fibres bi-coeurs
After a first quantum revolution marked by the advent of quantum physics and its counter-intuitive laws, the XXIst century is in the throes of a second quantum revolution based on quantum technologies. These promises a major upheaval in the areas of communication, calculation, simulation and metrology. In this thesis, we address two of the four subdomains mentioned above, namely those of communication and quantum metrology. The main word bringing together these works is entanglement. Indeed, we show that, thanks to this fundamental property, the performances of standard communication and metrology systems can be surpassed. Thus, we present how to generate these entangled states responsible for the quantum advantage, and this on two technological platforms. The first platform exploited is silicon. The latter, recent for photonics, combines the advantages of maturity allowing the integration of many micrometric structures on the same chip, with efficient non-linear properties, based on third order process. Silicon is then destined for many applications as we show by generating pairs of spectrally demultiplexed entangled photons directly compatible with standard telecommunication networks. The second platform we present is lithium niobate. The latter, widely used in many quantum photonics demonstrations, has a very important efficiency of entangled photon pairs generation, notably thanks to the exploitation of second order non-linear process. We detail an experiment of hyper-entangled states generation, which, like silicon, is oriented towards the domain of quantum communication. Finally, we also exploit these pairs of entangled photons combined with quantum interferometry methods to realize a quantum metrology experiment. The purpose is to measure with unprecedented precision the refractive indices difference of dual-core fibers

Les deux grands défis actuels pour l'optoélectronique térahertz (THz) sont d'une part, le besoin de miniaturiser les sources de rayonnement térahertz, et d'autre part, la nécessité d'améliorer leurs performances actuelles. Parmi les sources de rayonnement térahertz existantes, le laser à cascade quantique (QCL) est à ce jour le meilleur candidat pour remplir ces critères. Afin d'y parvenir, il faut cependant apporter des solutions aux verrous qui limitent la miniaturisation des QCLs THz. Le premier est d'ordre fondamental, et tient au fait que les dimensions des cavités photoniques usuelles sont soumises à la limite de diffraction. Le second verrou provient du fait que la recherche de compacité des sources se traduit généralement par la détérioration de leur puissance optique de sortie et de la directionnalité du faisceau laser. Une nouvelle famille de résonateurs THz métal - semiconducteur - métal (M-SC-M) est présentée de façon théorique et expérimentale. Ces dispositifs, inspirés des oscillateurs électroniques LC, ont permis d'atteindre un volume effectif record Veff=LxLyLz/λeff=5.10−6, où Lx,y,z sont les dimensions de la cavité et λeff est la longueur d'onde de résonance dans le cœur du résonateur (GaAs). Ces résonateurs hybrides photoniques-électroniques ont la particularité d'être libérés de la limite de diffraction dans les trois dimensions spatiales, et bénéficient pour la première fois de toutes les fonctionnalités habituellement réservées aux dispositifs électroniques. Une application aux polaritons inter-sousbandes THz a permis d'obtenir des résultats à l'état de l'art, démontrant d'une part que ces résonateurs hybrides conservent leurs propriétés photoniques, et d'autre part qu'ils permettent un couplage lumière-matière fort. En parallèle de ce travail, la faisabilité d'un QCL THz avec une région active extrêmement fine est démontrée expérimentalement. Une étude systématique des caractéristiques du laser en fonction de l'épaisseur de la région active (Lz) a permis la réduction de Lz=10 μm (≈λeff/2,7) jusqu'à la valeur record de Lz=1,75 μm (≈ λeff/13) dans une cavité Fabry-Pérot M-SC-M. Malgré l'augmentation des pertes optiques, l'effet laser est obtenu au-dessus de la température de l'azote liquide (78 K) pour la région active la plus fine. Ces résultats sont très encourageants pour le développement de régions actives plus performantes, et permettent d'envisager le développement de micro-cavités lasers avec des volumes effectifs extrêmement sub-longueur d'onde. Les perspectives de ce travail de thèse s'étendent de l'électrodynamique quantique en cavité au nanolaser. Les applications potentielles varient énormément en fonction de la configuration des résonateurs hybrides. Ils peuvent être utilisés comme des éléments passifs pour la détection, ou encore comme des éléments actifs tels que des antennes. Enfin, l'utilisation d'une région active fine en combinaison avec un résonateur hybride devrait permettre d'obtenir un QCL THz ultra-compact libéré de la limite de diffraction, tout en introduisant pour la première fois la possibilité d'accorder la fréquence du laser en adaptant l'impédance complexe équivalente de la combinaison d'éléments LC.

Les boîtes quantiques auto-assemblées InAs/GaAs, observées individuellement, constituent des émetteurs de photons uniques. L’émission de photons uniques indiscernables nécessite d’accélérer l’émission spontanée, ce qui peut être réalisé en utilisant une cavité (effet Purcell). Au cours de ce travail de thèse, nous avons développé des cavités à bande interdite photonique bidimensionnelle dans cette perspective. L’étude a d’abord constituée en la réalisation de cavités à cristaux photoniques en GaAs. L’insertion de boîtes quantiques InAs/GaAs dans les structures réalisées a ensuite permis d’isoler une unique boîte, en couplage faible avec un mode d’une cavité. Ce système s’est avéré être une source de photons uniques indiscernables, avec un taux d’indiscernabilité supérieur à 70%. L’indiscernabilité des photons, impossible sans un raccourcissement important de la durée de vie radiative de la boîte quantique, met en évidence un effet Purcell supérieur à 25 dans ce système
Isolating a single self-assembled InAs/GaAs quantum dot is a way to produce single photons. Moreover, the successively emitted photons can be indistinguishable if the emission process happens sufficiently fast. This radiative lifetime shortening can be obtained by the use of cavity effects (Purcell effect). In this work we describe the development of two-dimensional photonic band gap cavities for that purpose. A first step was the fabrication of GaAs photonic crystal cavities. Then, inserting a single layer of InAs/GaAs quantum dots in the structure, we managed to isolate a single quantum dot coupled to a single cavity mode, in the weak coupling regime. This system is an indistinguishable single photon source, with a degree of photon indistinguishability of 70 %. The observation of the photon indistinguishability is only possible through a shortening of the emitter lifetime, and indicates that the Purcell effect is more than 25 in this system

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 microlasers à base de polymères peuvent constituer un apport précieux pour le renouvellement des technologies et des fonctionnalités respectivement en amont et en aval de la photonique intégrée. Leur relative facilité de fabrication, leur compatibilité avec d'autres technologies (telle que celle des semi-conducteurs inorganiques), leur flexibilité structurelle à différentes échelles, de la molécules au sous-sytème, permettant d'élaborer plusieurs types d'émetteurs selon une grande diversité de cahiers des charges, ainsi que le faible indice de réfraction des matériaux qui facilite l'émission laser, prédestinent ces microlasers organiques à des applications potentielles allant des télécommunications optiques à la microdétection. Dans le présent travail, nous rapportons les résultats obtenus concernant la fabrication et la caractérisation des propriétés d'émission spectrales et spatiales de ces microlasers. La géométrie des cavités joue un rôle crucial dans ces dernières. Nous avons analysé quelques géométries standard telles que celle des polygones réguliers et avons identifié celles qui sont susceptibles d'exploitation dans la pratique. Nous avons ainsi étudié l'influence de la qualité de gravure sur des microlasers carrés dont la courbure des coins est contrôlée. Ces travaux nous ont permis de mettre en évidence la robustesse des résonances dans ce type de cavité et de préciser le rôle des coins sur le couplage externe. Une configuration assez originale a été proposée pour réaliser un microlaser unidirectionnel, combinant deux types de perturbation du disque : une déformation externe (en jouant sur la forme du contour) et une déformation interne (par introduction d'une ou plusieurs vacances circulaires). Cette étude a bénéficié de simulations numériques avec une modèle de rayons qui s'est révélé très prédictif et en bon accord avec les résultats expérimentaux. Quelques caractéristiques ayant trait plus spécifiquement à l'effet laser dans ces microrésonateurs organiques ont été également observées.

La création d 'un microsystème d'analyse biochimique, capable de livrer des diagnostics préliminaires sur la quantification d'éléments pathogènes, est un défi multidisciplinaire ayant un impact potentiel important sur la majorité des activités humaines en santé et sécurité. En effet, un dispositif intégré, peu dispendieux et livrant des résultats facilement interprétables, permettrait une vulgarisation des capacités de biodétection à travers différents domaines d'applications sociétaires et industriels. Le présent document se concentre sur l'intégration monolithique d'une méthode de biocaractérisation dans le but de générer un transducteur miniaturisé et efficace, élément central d'un microsystème de détection. Le projet de recherche ici présenté vise l'étude de l'applicabilité d'un capteur plasmonique intégré par l'entremise de nanostructures semi-conductrices aux propriétés quantiques et luminescentes. L'approche présentée est globale; c'est-à-dire qu'on vise à répondre aux questions fondamentales impliquant la compréhension des phénomènes photoniques, le développement et la fabrication des dispositifs, les méthodes de caractérisations possibles ainsi que l'application d'un transducteur SPR intégré à la biodétection. En d'autres termes : dans quelles circonstances et comment un transducteur plasmonique intégré doit-il être réalisé pour l'application à la détection délocalisée d'éléments pathogènes? Dans le but d'engendrer un instrument simple à l'échelle de l'usager, l'intégration de la connaissance à l'échelle du design est donc effectuée. Ainsi, des capteurs plasmoniques monolithiques sont conçus à l'aide de modèles théoriques ici présentés. Un instrument de mesure hyperspectrale conjuguée permettant de cartographier directement la relation de dispersion des plasmons diffractés a été construit et testé. Cet instrument est employé à la cartographie d'éléments de diffusion. Finalement, une démonstration du fonctionnement du dispositif, appliquée à la biocaractérisation d'événements simples, tels que l'albumine de sérum bovin et la détection d'une souche spécifique d'influenza A est livrée. Ceci répond donc à la question de faisabilité d'un nanosystème plasmonique applicable à la détection de pathogènes.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit traite des lasers à cascade quantique à plasmons de surface dans la gamme spectrale du moyen-IR et de leurs applications aux cristaux photoniques moyen-IR et THz. Pour les grandes longueurs d'onde (λ > 10µm) la lumière est confinée au sein de la région active du laser grâce à une couche de métal déposée directement à la surface de la région active. Ces guides sont appelés guide à plasmons de surface. La faible épaisseur de ces guides est un atout majeur pour la fabrication de dispositifs à cristal photonique ou DFB (Distributed Feed Back). Ce manuscrit présente une étude complète de ces guides. Il démontre de manière expérimentale et théorique qu'il est possible d'améliorer les performances de ces guides en utilisant une couche d'argent à la place de l'or habituellement utilisé. Pour approfondir cette étude, une méthode originale basée sur les guides multisections et permettant de mesurer les pertes et le gain des guides à plasmons de surface a été soigneusement étudiée à l'aide de nombreuses expériences. La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude théorique du réseau nid d'abeille pour la fabrication de microcavité laser pour le moyen-IR et le THz. Cette étude est réalisée grâce à des simulations bidimensionnelles à partir d'un code utilisant la méthode des ondes planes et en trois dimensions grâce à un code utilisant la méthode FDTD (Finite-Difference Time-Domain). Lors de ces études, un phénomène nouveau a été mis en évidence sur les guides métal-métal THz démontrant qu'il est possible d'implémenter un cristal photonique par la seule structuration du métal du contact supérieur.

L'informatique quantique est basée sur des phénomènes de physique quantique, tels que superposition et intrication et elle promet de révolutionner le monde de l'informatique. La photonique est une plateforme de premier plan pour réaliser l'informatique quantique tolérante aux erreurs. Elle possède plusieurs qualités : fonctionnement à température ambiante, fabricabilité à grande échelle à l'aide des fonderies existantes pour les puces de silicium et compatibilité avec les communications optique pour interconnecter différents ordinateurs quantiques.Notre objectif principal est d'automatiser la conception de circuits quantiques photoniques et de leurs interconnexions. Avant de pouvoir fabriquer un véritable ordinateur quantique photonique, il est essentiel de simuler numériquement et d'optimiser les circuits correspondants, qui sont en pratique construits à partir de composants gaussiens tels que des squeezers, des séparateurs de faisceaux, des déphaseurs et des détections homodynes. Pour atteindre l'universalité, nous avons également besoin d'effets non gaussiens, qui peuvent être fournis par des détecteurs résolvant le nombre de photons. Nous concevons des circuits à partir de cette boîte à outils et les optimisons pour diverses applications en utilisant divers algorithmes de descente de gradient, dont certains que nous avons adaptés à notre objectif.Les principaux apports sont :1. En photonique, les représentations de l'espace de Fock et de l'espace de phase sont des formalismes utiles pour décrire les états et les transformations quantiques. Nous introduisons une représentation unifiée dans l'espace de Fock de tous les objets gaussiens en termes d'une seule relation de récurrence linéaire qui peut générer de manière récursive leurs amplitudes dans l'espace de Fock.2. On retrouve la règle de composition des opérations gaussiennes dans l'espace de Fock, qui permet d'obtenir la bonne phase globale lors de la composition des opérations gaussiennes (normalement absente), et donc d'étendre notre modèle à des états qui s'écrivent comme combinaisons linéaires de gaussiennes.3. Notre représentation récursive est différentiable, permettant à calculer des gradients. Nous adaptons ensuite l'optimisation basée sur les gradients au problème d'optimisation des circuits. Nous implémentons un optimiseur Euclidien afin d'optimiser chaque composant. Ensuite, nous étudions deux manières de prendre en compte la géométrie: d'abord, nous appliquons l'optimisation Riemannienne, en combinant toutes les opérations gaussiennes en une transformation globale pour trouver ensuite la transformation optimisée, et la décomposer en composants optiques fondamentaux. Deuxièmement, nous généralisons une version complexe du gradient naturel pour les circuits afin d'accélérer le processus d'apprentissage.4. Nous donnons également quelques stratégies optimales basées sur les tâches pour utiliser nos relations de récurrence. De nouveaux algorithmes sont proposés pour calculer, par exemple, les amplitudes d'un état mixte et la matrice de transformation des interféromètres. De plus, nous dérivons un algorithme de contraction rapide pour les transformations gaussiennes, qui nous permet de "fusionner" le calcul des amplitudes d'une transformation gaussienne et son action sur n'importe quel état.5. Avec la simulation sur des circuits quantiques photoniques différentiables construits à partir de la relation de récurrence, nous pouvons concevoir automatiquement des circuits quantiques photoniques. Nous donnons la préparation de l'état comme premier exemple ; nous trouvons des circuits capables de produire des états de haute fidélité dans un temps raisonnable. Nous pouvons aussi optimiser un interféromètre à 216 modes pour rendre une expérience d'échantillonnage de boson gaussien difficile à usurper.6. Nous avons rendu ce travail accessible dans diverses bibliothèques open source: TheWalrus, StrawberryFields, Poenta et MrMustard
Quantum computing is based on quantum physics phenomena, such assuperposition and entanglement and it promises to revolutionize the world of computing. Photonics is a prominent platform for realizing fault-tolerant quantum computing. It has various qualities: working at room temperature, large-scale manufacturability using existing foundries for silicon chips, and compatibility with optical communication to interconnect different quantum computers.Our main goal is to automate the design of photonic quantum circuits and of their interconnects. Before a real photonic quantum computer can be manufactured, it is essential to numerically simulate and optimize the corresponding circuits, which in practice are built out of Gaussian components such as squeezers, beam-splitters, phase shifters, and homodyne detectors. To achieve universality, we also need non-Gaussian effects, which can be supplied by photon-number-resolving detectors. We design circuits from this toolbox and optimize them for various applications using various gradient descent algorithms, some of which we adapted to our purpose.The main contributions are:1. In photonics, Fock space and phase space representations are both useful formalisms to describe quantum states and transformations. We introduce a unified Fock space representation of all Gaussian objects in terms of a single linear recurrence relation that can recursively generate their Fock space amplitudes.2. We find the composition rule of Gaussian operations in Fock space, which allows us to obtain the correct global phase when composing Gaussian operations (normally absent from the phase space description), and therefore to extend our model to states that can be written as linear combinations of Gaussians.3. Our recursive representation is differentiable, allowing for a straightforward computation of the gradients of a Gaussian object with respect to any parametrization. We then adapt gradient-based optimization to the problem of circuit optimization. We implement a Euclidean optimizer (i.e. which doesn't take the geometry of parameter space unto account) in order to optimize each parametrized component of a circuit. Then we study two ways to account for geometry: first we apply Riemannian optimization, by combining all the Gaussian operations into a global transformation and following a geodesic on the manifold of symplectic matrices to find the optimized transformation, at which point we can decompose it back into fundamental optical components. Second, we generalize a complex version of the natural gradient for optical quantum circuits to accelerate the convergence of the training process.4. We also give some optimal task-based strategies for using our recurrence relations. New algorithms are proposed to calculate, for instance, the amplitudes of a mixed state and the transformation matrix of interferometers. In addition, we derive a fast contraction algorithm for Gaussian transformations, which allows us to "fuse" the computation of the amplitudes of a Gaussian transformation and its action on any state.5. With the simulation on differentiable photonic quantum circuits built from the recurrence relation, we can design photonic quantum circuits automatically. We give state preparation as the first example; we find circuits that can produce high-fidelity states in a reasonable time, such as cat states with mean photon number 4, fidelity 99.38%, and success probability 7.3%. We can also optimize a 216-mode interferometer to make a Gaussian Boson Sampling experiment harder to spoof.6. We made this work available in various open-source libraries: TheWalrus, StrawberryFields, Poenta, and MrMustard

Contrôler la lumière avec de la lumière au niveau du photon unique est un objectif fondamental dans le domaine de l'information quantique, ou de l'ordinateur optique à très basse puissance. Un émetteur quantique constitué d'un unique système à deux niveaux est un milieu très non-linéaire, pour lequel l'interaction avec un photon peut modifier la transmission d'un photon suivant. Dans ce scenario, le défi pour obtenir une telle non-linéarité géante est d'optimiser l'interaction lumière matière. Une solution à ce défi est d’insérer l'émetteur quantique dans une structure photonique. Ce système est appelé « atome uni-dimensionnel » : la collection de la lumière, tout comme la probabilité d'absorber un photon se propageant dans la structure est maximum.Dans ce travail, nous avons utilisé ce type de système pour réaliser une non-linéarité géante à deux modes, dans laquelle la réflexion d'un des modes est contrôlée par un autre mode au niveau du photon unique. Le système est constitué d'une boite quantique semi-conductrice InAs/GaAs, qui peut être considéré comme un atome artificiel, insérée dans un fil photonique en GaAs opérant comme un guide d'onde. Le fil photonique définit un mode spatial unique autour de l'émetteur et offre une interaction lumière-matière avec une efficacité quasi-idéale. De plus, ce fil photonique présente cette propriété sur une large bande spectrale. Grâce à ces deux propriétés, nous avons démontré expérimentalement une non-linéarité géante à un mode et à deux modes à un niveau de quelques dizaines de photons par durée de vie de l'émetteur. Cela permet de réaliser un interrupteur tout optique intégré, à très faible seuil
Controlling light by light at the single photon level is a fundamental quest in the field of quantum computing, quantum information science and classical ultra-low power optical computing. A quantum light emitter made of a single two-level system is a highly non-linear medium, where the interaction of one photon with the medium can modify the transmission of another incoming photon. In this scenario, the most challenging issue to obtain a giant optical non-linearity is to optimize photon-emitter interaction. This issue can be overcome by inserting the quantum emitter inside a photonic structure. This system is known as “one-dimensional atom”: the light collection efficiency as well as the probability for an emitter to absorb a photon fed into the structure is maximum. In this study, we aim at using such kind of system to experimentally realize a two-mode giant non-linearity, in which the reflection of one light mode is controlled by another light mode at the single-photon level. The system consists of a semiconductor InAs/GaAs quantum dot, which can be considered as an artificial atom, embedded inside a GaAs photonic wire, which is an optical waveguide. The photonic wire defines a single spatial mode around the emitter and offers a close to unity light-emitter interaction efficiency. In addition, the photonic wire also possesses a spectrally broadband operation range. Thanks to these two excellent features of the system, we experimentally demonstrate in this thesis a single-mode and a two-mode giant non-linearity obtained at the level of just a few tens of photons per emitter lifetime. This realizes an integrated ultra-low power all-optical switch

Ce travail de thèse est constitué de l’étude sous champ magnétique de trois systèmes quantiquesd’un grand intérêt pour leurs propriétés électroniques et leurs applications potentielles àla photonique infrarouge et terahertz : deux structures à cascade quantique, l’une détectrice etl’autre émettrice, et le graphène épitaxié sur SiC face carbone. Le détecteur à cascade quantique enGaAs/AlGaAs, fonctionnant vers 15m, a été étudié dans l’obscurité et sous illumination, pour identifierles chemins électroniques intervenant dans le courant noir et en fonctionnement. Le développementd’un modèle de photocourant a permis d’identifier les paramètres-clé régissant le fonctionnementdu détecteur. L’étude, en fonction de la polarisation et de la température, d’un laser à cascadequantique térahertz en InGaAs/GaAsSb doté d’une structure nominalement symétrique montrel’impact de la rugosité d’interface sur les performances du laser. Nous montrons que le système d’hétérostructurede type II InGaAs/GaAsSb est prometteur pour le développement de lasers à cascadequantique térahertz fonctionnant à haute température. Enfin, l’étude magnéto-spectroscopique dugraphène épitaxié a montré, outre les transitions entre niveaux de Landau du graphène monocoucheidéal, une signature supplémentaire que nous avons attribuée au désordre, et plus particulièrementà l’existence de lacunes de carbone. Une modélisation des défauts sous la forme d’un potentiel deltareproduit remarquablement nos résultats expérimentaux, ce qui constitue la première mise en évidenceexpérimentale des effets des défauts localisés sur les propriétés électroniques du graphène.La structure des niveaux de Landau perturbée par le désordre est clairement établie
This work reports on the study under magnetic field of three interesting quantumsystems, which present remarkable electronic properties and potential applications for infrared andterahertz photonics : two quantum cascade structures, one detector and one emitter, as well asepitaxial graphene layers grown on the carbon face of SiC. The GaAs/AlGaAs quantum cascade detector,designed to work around 15m, was studied both with and without illumination in order toidentify the electronic paths responsible for the dark current and the photocurrent. The developmentof a photocurrent model allowed us to identify the key points controlling the electronic transport.The investigation, as a function of the temperature and bias voltage, of a InGaAs/GaAsSb quantumcascade laser with a nominally symmetric structure shows the influence of interface roughness onthe laser performances. We demonstrate that the InGaAs/GaAsSb type II heterostructure system ispromising for developing terahertz quantum cascade lasers working at high temperature. Finally,magneto-spectroscopy experiments performed on epitaxial graphene display, besides the transitionsbetween Landau levels of monolayer graphene, additional signatures that we attribute to disorder,more specifically to carbon vacancies. Calculations using a delta-like potential for modeling thedefects are in good agreement with the experimental results. This study is the first experimental demonstrationof the influence of localized defects on the graphene electronic properties. The disorderperturbed Landau level structure is clearly established

Une antenne à fil photonique permet de façonner l’émission d’une boîte quantique (BQ) en un faisceau directif, qui peut être collecté efficacement par des optiques en espace libre. Ces structures photoniques trouvent des applications dans l’émission d’états non classiques de la lumière (photons uniques, paires de photons enchevêtrés) ou dans la génération de non-linéarités géantes, à l’échelle du photon unique. Cette thèse contribue à une meilleure compréhension des propriétés optiques des BQs InAs intégrées dans des antennes à fil photonique à travers deux résultats principaux. Nous démontrons tout d’abord une technique tout optique - et donc non destructive - pour localiser précisément une BQ dans une section de l’antenne. La position de l’émetteur est importante car elle conditionne la force de l’interaction lumière-matière au sein de l’antenne, ainsi que le couplage de la BQ à certains canaux de décohérence spectrale. La technique proposée exploite l’émission de la BQ dans deux modes guidés qui présentent des profils spatiaux différents et s’appuie sur une cartographie du champ lointain résolue en angle. La seconde étude porte sur les mécanismes de spin-flip qui couplent les états excitoniques d’une BQ neutre. Ces spin-flips constituent une source de décohérence. Pour les révéler, nous intégrons la BQ dans une structure photonique anisotrope (ici un fil photonique avec une section elliptique). Des mesures de polarisation et de déclin de la photoluminescence résolu en temps donnent alors accès aux taux de spin-flips. Nous étudions en particulier l’influence de la température et de la puissance d’excitation non-résonante
A photonic wire antenna shapes the emission of a quantum dot (QD) into a directional beam, which can be efficiently collected by free-space optics. These photonic structures find applications in the emission of non-classical states of light (single photons, entangled pairs of photons) or in the generation of giant non-linearities, at the level of a single photon. This thesis contributes to a better understanding of the optical properties of InAs QDs integrated in photonic wire antennas through two main results. We first demonstrate an all-optical - and therefore non-destructive - technique for precisely locating a QD in a section of the antenna. The position of the emitter is important because it conditions the strength of the light-matter interaction within the antenna, as well as the coupling of the QD to certain spectral decoherence channels. The proposed technique exploits the emission of the QD in two guided modes which present different spatial profiles and is based on a measurement of the angle-resolved far-field map. The second study focuses on spin-flip mechanisms that couple the exciton states of a neutral QD. These spin-flips are a source of decoherence. To reveal them, we integrate the QD into an anisotropic photonic structure (here a photonic wire with an elliptical cross section). Polarization measurements combined with time-resolved measurements of the photoluminescence decay then allow determining the spin-flip rates. We present a study of the influence of the temperature and of the non-resonant excitation power

Les sources de photons uniques indiscernables accordables en longueur d’onde sont des composants clés pour les technologies quantiques de l'information. La réalisation d'un tel dispositif avec une boîte quantique semi-conductrice (BQ) nécessite un "bouton" pour accorder la longueur d'onde de l’émetteur et une structure photonique offrant une grande efficacité d'extraction de la lumière sur une large bande passante. Cette thèse présente plusieurs étapes importantes vers cet objectif.Nous étudions tout d'abord une cavité nanonocylindre, structure photonique qui, bien que très simple, offre une forte accélération de l'émission spontanée par effet Purcell sur une large bande passante. Pour la première fois, nous réalisons une spectroscopie strictement résonante d'une BQ intégrée dans une telle structure, en exploitant une détection avec une polarisation croisée pour supprimer la lumière parasite associée au laser d’excitation (collaboration avec le groupe de Richard Warburton). Ceci a permis une caractérisation fine des propriétés optiques de l'émetteur.Nous démontrons ensuite une source de photons uniques accordable basée sur une BQ intégrée dans une antenne à fil photonique. Des électrodes intégrées appliquent une force électrostatique qui tord le fil ; la déformation mécanique qui en résulte modifie l'énergie de bande interdite des BQs. Nous contrôlons la direction de flexion du fil et démontrons le décalage, vers les grandes comme vers les courtes longueurs d’ondes, de l'émission des BQs.En utilisant une tension alternative, l'actuation électrostatique peut également exciter les modes de vibration du nanofil. Cette capacité est intéressante dans le contexte de la nanomécanique hybride. Dans ces expériences, nous tirons parti de la photoluminescence des BQs pour détecter et identifier les modes de vibration mécaniques. En particulier, nous mettons en évidence un mode de flexion d'ordre élevé qui résonne à 190 MHz, une valeur qui dépasse le taux d’émission spontanée de la BQ. Ceci constitue une étape importante vers l’obtention du régime de bandes latérales résolues pour ce système.Les dispositifs étudiés dans ce travail ouvrent des perspectives très prometteuses pour les développements futurs de la photonique quantique et de la nanomécanique hybride
Bright and tunable sources of indistinguishable single photons are key devices for photonic quantum information technologies. Building such a source with a semiconductor quantum dot (QD) requires a “knob” to tune the QD emission wavelength combined with a broadband photonic structure for light extraction. This thesis reports several important steps towards this goal.We first investigate a nanocylinder cavity, a photonic structure that, despites its simplicity, offers a pronounced Purcell acceleration of spontaneous emission over a large spectral bandwidth. We demonstrate the first resonant optical spectroscopy of a QD embedded in a nanopost cavity, by leveraging a cross-polarization scheme that efficiently suppresses stray laser light (collaboration with the group of Richard Warburton). This technique enabled a precise characterization of the optical properties of the emitter.We next demonstrate a tunable single-photon source based on a QD embedded in a tapered photonic wire. In our device, a set of on chip electrodes biased with a DC voltage applies an electrostatic force to the wire. As the wire bends, the resulting mechanical strain changes the bandgap energy of the embedded QDs. We demonstrate both a large increase and a large decrease of the QD emission wavelength by controlling the wire bending direction.With an AC voltage, the above-mentioned actuation scheme can also excite the vibration modes of the nanowire. This capability is interesting in the context of hybrid nanomechanics. In our experiments, we leverage the QD photoluminescence to detect and identify the wire mechanical vibrations. In particular, we evidence a high-order flexural mode that resonates at 190 MHz, a value that exceeds the QD radiative rate. This constitutes an important step towards the spectrally-resolved-sidebands regime.The devices demonstrated in this work open promising prospects for the future developments of quantum photonics and hybrid nanomechanics

L'objectif de ce travail est de décrire la structure électronique et les propriétés optiques de boîtes quantiques de semiconducteurs (nanocristaux) contenant des hétérojonctions, c'est-à-dire des nano-jonctions entre deux semiconducteurs. Ces nanostructures ont des propriétés optiques très intéressantes pour les applications photoniques et photovoltaïques. La description théorique des effets liés à l'interface demande un traitement particulier. Nous commençons par décrire la structure électronique des semiconducteurs massifs en liaisons fortes et nous montrons comment on peut appliquer cette théorie aux nanocristaux. La méthodologie de calcul des spectres optiques en partant de la structure électronique est présentée. Les paramètres de liaisons fortes sont utilisés pour calculer l'évolution de la structure électronique des boîtes quantiques en fonction de leur taille. Le bon accord théorie/expérience obtenu pour la variation de la bande interdite en fonction de la taille valide notre approche théorique. Nous appliquons ensuite ces techniques à des nanocristaux coeur/coquille PbSe/CdSe, après analyse des interfaces présentes dans ces systèmes et discussion des valeurs des discontinuités de bandes. Nos calculs justifient l'hypothèse que CdSe agit comme une barrière de potentiel pour l'électron et le trou. Nous simulons les spectres d'absorption optique des nanocristaux de PbSe, CdSe et PbSe/CdSe. Nos travaux confirment l'existence de transitions optiques intra-bandes photo-induites observées récemment dans des expériences de type pompe-sonde. Ces transitions intra-bandes photo-induites, révélées et étudiées pour la première fois, sont très intéressantes pour des applications en photonique
The main objective of this work is to give a description of the electronic structure and optical properties of semiconductor quantum dots (nanocrystals) containing heterojunctions, i.e. nano-junctions between two semiconductors. These nanostructures have interesting optical properties which are very promising for applications in photonics and photovoltaics. The theoretical description of the effects of the interface demands special attention. We start describing the calculations of the electronic structure of bulk semiconductors using semi-empirical tight-binding, and we show how to apply this technique to semiconductor quantum dots. We develop expressions to connect the discrete levels of energy in a quantum dot and the transitions in optical absorption spectra. The bulk tight-binding parameters are used for the calculation of the electronic structure of quantum dots of single compounds, analyzing the effect of the size variation of the quantum dots. The effectiveness of this method is demonstrated, in particular we obtain good values for the bandgap versus size compared to experiments. We apply this method to calculate the electronic structure of PbSe/CdSe core/shell quantum dots, after an analysis of the different types of interfaces that can appear in this system, and we discuss the issues related to the determination of the band offsets. The results of these calculations validate the assumption of the role of the shell as a potential barrier for the electron and the hole. The electronic structures are used in the last chapter to simulate the absorption spectra of PbSe, CdSe and PbSe/CdSe quantum dots. We give theoretical support to recent experiments in transient absorption spectroscopy, revealing groups of new transitions originated by photo-induced intraband absorption. Our calculations shed light on the nature of these optical transitions which can be of interest for applications in photonics

Les lois de la mécanique quantique présentent un fort potentiel d’amélioration pour la sécurité des réseaux de communication, du cryptage à clé publique au vote électronique, en passant par la banque en ligne. Cette thèse porte sur la sécurité pratique et l’implémentation de deux tâches cryptographiques quantiques : la monnaie quantique et le tirage à pile-ou-face faible. La monnaie quantique exploite le théorème de non-clonage quantique pour générer des jetons, billets ou cartes de crédit strictement infalsifiables. Nous réalisons la première démonstration expérimentale de cette fonctionnalité sur une plateforme photonique aux longueurs d’onde télécom. Nous développons ensuite une analyse de sécurité pratique pour les cartes de crédit quantique. La banque peut ainsi vérifier l’authenticité de la carte à distance, même en présence d’un terminal de paiement malhonnête. Enfin, nous proposons une expérience permettant le stockage sécurisé d’une carte de crédit quantique en utilisant la transparence électromagnétiquement induite au sein d’un nuage d’atomes refroidis. Le tirage à pile-ou-face faible est une primitive cryptographique fondamentale: elle permet en effet la construction de tâches plus complexes telles que la mise en gage de bit et le calcul multipartite sécurisé. Lors d’un tirage à pile ou face, deux entités distantes et méfiantes jettent une pièce. Grâce à l’intrication quantique, il est possible de limiter la probabilité que l’entité malhonnête biaise la pièce. Dans ce projet, nous proposons la première implémentation du pile-ou-face faible. Celle-ci requiert un photon unique et une plateforme d’optique linéaire. Nous présentons l’analyse de sécurité en présence d’erreurs et de pertes, et démontrons que le protocole est réalisable à l’échelle d’une ville. Enfin, nous proposons de réduire davantage la probabilité du biais du protocole
Harnessing the laws of quantum theory can drastically boost the security of modern communication networks, from public key encryption to electronic voting and online banking. In this thesis, we bridge the gap between theory and experiment regarding two quantum-cryptographic tasks: quantum money and quantum weak coin flipping. Quantum money exploits the no-cloning property of quantum physics to generate unforgeable tokens, banknotes, and credit cards. We provide the first proof-of-principle implementation of this task, using photonic systems at telecom wavelengths. We then develop a practical security proof for quantum credit card schemes, in which the bank can remotely verify a card even in the presence of a malicious payment terminal. We finally propose a setup for secure quantum storage of the credit card, using electromagnetically-induced transparency in a cloud of cold cesium atoms. Quantum weak coin flipping is a fundamental cryptographic primitive, which helps construct more complex tasks such as bit commitment and multiparty computation. It allows two distant parties to flip a coin when they both desire opposite outcomes. Using quantum entanglement then prevents any party from biasing the outcome of the flip beyond a certain probability. We propose the first implementation for quantum weak coin flipping, which requires a single photon and linear optics only. We provide the complete security analysis in the presence of noise and losses, and show that the protocol is implementable on the scale of a small city with current technology. We finally propose a linear-optical extension of the protocol to lower the coin bias

Ce travail de thèse apporte une contribution au domaine émergent de la photonique de Josephson en étudiant des corrélations entre photons émis par effet tunnel inélastique à travers une jonction Josephson soumise à une différence de potentiel électrique. Nous démontrons la possibilité de modifier fortement la statistique de ces photons en incorporant la jonction dans un environnement électromagnétique soigneusement conçu. Dans ce contexte, nous avons élaboré et mesuré une source de rayonnement micro-onde de forte intensité, capable d'émettre des photons dont les statistiques dites « de groupement » et « de dégroupement » ne dépendent que d'un seul paramètre modifiable in situ.Afin de réaliser cette expérience, nous avons mis en place un montage de type Hanbury-Brown & Twiss pour mesurer les corrélations entre photons à l'aide d'amplificateurs linéaires dans un cryostat à dilution. De plus, nous avons conçu des circuits micro-onde où la jonction est exposée à des impédances dépendant spécifiquement de la fréquence. Pour réaliser ces dispositifs, nous avons développé un procédé de nano-fabrication de jonctions Josephson verticales à base de nitrure de niobium utilisant de l'oxyde de magnésium comme barrière tunnel. Enfin, en vue d'une meilleure compréhension de nos échantillons, nous avons contribué aux avancées théoriques liées à l'extension de la théorie dite P(E) de l'effet tunnel inélastique de paires de Cooper, dans le but de décrire les corrélations entre événements tunnel.Ces résultats ouvrent la voie, non seulement à une évolution de ces sources de lumière vers le domaine fréquentiel du THz, mais aussi à l'élaboration d'autres dispositifs basés sur la même physique, tels que des détecteurs et des amplificateurs proches de la limite quantique
This thesis contributes to the emerging field of Josephson photonics through the study of correlations between microwave photons emitted by inelastic Cooper pair tunneling across a voltage-biased Josephson junction. We show that the photon statistics can be strongly modified by embedding the junction into a carefully engineered electromagnetic environment. Doing so, we have elaborated and measured a bright on-demand radiation source, capable of emitting bunched and anti-bunched microwave photons depending only on a single in-situ tunable parameter.In order to conduct this experiment, we have implemented a Hanbury-Brown & Twiss setup for photon correlation measurements using linear amplifiers in a dilution refrigerator. Furthermore, we have designed microwave circuits presenting specific frequency-dependent impedances to the junction. To build these devices we have developed a nano-fabrication process for vertical Josephson junctions made from niobium nitride and using magnesium oxide as a tunnel barrier. Finally, we have contributed to the theoretical advances associated with the understanding of these devices, which extend the so-called P(E) theory of inelastic Cooper pair tunneling to include correlations between tunneling events.These results pave the way for further developments, notably with the possibility to extend the frequency range of these radiation sources to the THz domain but also in view of other devices based on the same physics, such as detectors and amplifiers close to the quantum limit

Le but de cette thèse est d'atteindre l'état de mouvement fondamental sur des disques optomécaniques en arseniure de gallium. La mécanique quantique prévoit en effet que la quantité d'énergie d'un système physique (mécanique ou autre) ne peut jamais être réduite totalement à zéro. Il existe cependant un état de plus basse énergie, que l'on appelle l'état fondamental. L'effet physique utilisé pendant cette thèse pour extraire de l'énergie du système (et ainsi atteindre l'état fondamental) est le couplage opto-mécanique. Les micro-disques supportent des résonances optiques à symétrie axiale appelées modes de galerie ainsi que des résonances mécaniques appelées modes de respiration. Le couplage entre ces deux modes peut être intuitivement compris comme suit: lorsque le disque "respire" mécaniquement, la circonférence du disque ressentie par le mode optique change, ce qui induit un décalage de sa longueur d'onde de résonance. A l'inverse, le mode optique exerce une pression de radiation sur les parois du disque, qui peut amplifier ou atténuer le mouvement mécanique. Le refroidissement opto-mécanique est d'autant plus efficace que les résonances (optique comme mécanique) ont de faibles taux de dissipation. Une grande partie de ce travail de thèse à donc été dédiée à la réduction de ces pertes. Des efforts technologiques ont permis d'obtenir des structures lisses et régulières, pour éviter la diffusion (et donc la dissipation) de lumière par rugosités. Afin de réduire la dissipation mécanique, une structure novatrice incluant des boucliers mécaniques à été développée, et à permis de réduire la dissipation mécanique d'un facteur 100. L'état du système après refroidissement opto-mécanique dépend par ailleurs de sa température initiale. Il est donc avantageux de placer l'échantillon dans un cryostat. L'appareil utilisé au cours de cette thèse permet de refroidir l'échantillon jusqu'à une température de 2,6 K. Les expériences de photonique en environnement cryogénique imposant des contraintes en terme de stabilité, il a été nécessaire de d'opter pour une approche avec guide d'onde intégré. Le développement de guides d'ondes entièrement suspendus a permis d'apporter et de collecter la lumière depuis le disque de manière optimale. Toutes ces efforts ont permis de descendre à un taux d'occupation mécanique de 30 quanta. Cependant de nombreuses améliorations peuvent encore être implémentées, afin d'ancrer ces résonateurs fermement dans l'état fondamental, ce qui permettrait d'effectuer par exemple des expériences d'intrication quantique
The main goal of this PhD work has been to reach the quantum ground state on gallium arsenide optomechanical disks. Quantum mechanics predict that the amount of energy within a given system cannot be brought to zero. Nevertheless a state of minimal energy exists, called the ground state. The physical mechanism used to extract energy from the system (and thus reach the ground state) is the optomechanical coupling. The miniature disks support optical and mechanical resonances, respectively called whispering gallery modes and radial breathing modes. The coupling between these two modes can be intuited as follows: when the disk breathes mechanically, its perimeter increases. The optical mode evolves now in a wider cavity, and its resonance wavelength therefore changes. Conversely, the optical mode exerts radiation pressure on the disk boundaries, which can either amplify or damp the mechanical motion. Optomechanical cooling is more efficient if the dissipation rates of the optical and mechanical resonances are low. An important part of this PhD work has therefore been dedicated to the reduction of dissipation. Technological efforts have been made to fabricate smooth and regular structures, so as to limit optical scattering. A novel approach consisting of a mechanical shield has allowed to reduce mechanical damping by a factor of 100. The system state after optomechanical cooling depends on its initial temperature. It is therefore advantageous to place the system in cryogenic environment prior to starting the optomechanical cooling. The apparatus used throughout this PhD work can cool the optomechanical device down to 2.6 K. As optical experiments in cryogenic environment require a good mechanical stability, it is necessary to opt for fully integrated devices where the optomechanical resonator and the waveguide bringing the light to it are processed on the same chip. The development of fully suspended waveguides has moreover allowed to inject and collect light from the device more efficiently. All these improvements have allowed to reach a state of 30 excitation quanta in the mechanical resonator. However many ideas can still be tried to keep enhancing the devices, so as to anchor them more firmly in the ground state. This would open the way to more advanced experiments, such as entanglement of mechanical oscillators

Ce sujet de recherche ambitionne le contrôle du procédé de réalisation in situ de nano-objets en matrice diélectrique en vue du développement de nouvelles applications. Les matrices de silice comportant des nanoparticules métalliques et semi-conductrices ont suscité un intérêt considérable en recherche fondamentale et appliquée dans le cadre de l’amélioration des catalyseurs, capteurs, ou de composant optiques linéaires et non linéaires. L’utilisation d’une irradiation laser est souvent mentionnée comme méthode prometteuse de croissance localisée. L’objet de ce travail est d’explorer les différentes possibilités de photo-cristallisation de différents types de nanoparticules dans des matrices poreuses ou vitreuses, en faisant varier les conditions de dopage et d’irradiation. Dans cette thèse, des monolithes de silice poreuse produits par le procédé sol-gel ont été post-dopés et densifiés. Une méthode simple, basée sur une irradiation laser, a été développée pour localiser la croissance des nanoparticules semi-conductrices (PbS, CdS) ou métalliques (Au, Ag) à l'intérieur de la matrice de silice poreuse. Les nanoparticules sont précipitées localement sous la surface du xérogels de silice en utilisant un laser visible continu, ou encore dans son volume par une irradiation infrarouge en régime femtoseconde. Il est ainsi apparu qu’une croissance par irradiation en régime femtoseconde dans le domaine infrarouge procède de mécanismes tout à fait différents de ceux d’une synthèse par insolation continue, où le thermique a un rôle prépondérant. Par ailleurs, il est montré que la taille des nanoparticules peut être ajustée par le choix de la concentration des précurseurs dans la solution de post-dopage, par la longueur d’onde du laser, sa puissance ou par la température dans le cas de la précipitation thermique. En outre, différentes méthodes ont été utilisées pour précipiter des nanoparticles métalliques (Ag, Cu) à l’intérieur d’une matrice de silice dense. Ces techniques sont basées soit sur la combinaison d’une insolation laser et d’un traitement thermique, soit uniquement sur des traitements thermiques sous des atmosphères différentes. La structuration spatiale de ces nanoparticules est effectuée par irradiation laser à impulsions, suivie d’un recuit à 600°C. Enfin, le dopage de verre massif par des nanoparticules de Cu a permis d’envisager leur utilisation pour fabriquer des cœurs de fibres optiques micro-structurées dopés. Les premiers tirages de capillaires ont montré que les nanoparticules de Cu peuvent être préservées après avoir subi une fusion à 2000°C
The thesis project aims to master the localization and organization of metallic and semiconducting nano-objects formed inside sol-gel silica materials for novel applications. The nanostructuration method used in this thesis is based on the laser irradiation and, if necessary, heat-treatment. The local character of the matter-light interaction leads to the formation of nano-objects only in the irradiated areas. Hence, it is possible to control the spatial distribution of the nano-crystallites as well as their size distribution by varying the irradiation parameters. In this thesis, porous silica monoliths produced via the sol-gel process were doped and densified. Different kinds of semiconductors (CdS, PbS) and metallic (Au, Ag) nanoparticles incorporated inside the porous SiO2 matrix have been precipitated with the assistance of laser irradiation at room temperature or by an annealing process. The local generation of nanoparticles could be performed directly on the surface of the silica xerogel using a visible continuous laser or inside the volume of the matrix by a femtosecond laser irradiation. Moreover, it has been shown that the nanoparticle size could be adjusted by choosing the concentration of the precursors in the post-doping solution, the laser wavelength, the irradiation power and/or the annealing temperature in the case of thermal precipitation. Furthermore, different methods were used to precipitate metallic nanoparticles (Ag or Cu) inside dense silica matrix. Those techniques are based on laser irradiations and/or heat treatments. Under pulsed laser irradiation, the space selective growth of noble metal nanoparticles was achieved in two steps: first, metallic nucleation centres were generated by the pulsed laser (nanosecond or femtosecond) in the irradiated areas; next, the metallic nanoparticles growth was obtained by annealing at 600°C. Besides, the doping of glassy matrices with copper nanoparticles allows foreseeing their use in the core of microstructured optical fibres. First capillary drawings have shown that the copper nanoparticles can be preserved after undergoing a melting at 2000°C

Dans le moyen-infrarouge, les barrettes de lasers à cascade quantique sont d’un grand intérêt pour la réalisation de sources large bande intégrables dans les systèmes de spectroscopie laser. Une excellente finesse spectrale, la présence d’un seul mode spatial et une gamme d’accordabilité large sont ainsi rassemblées sur une seule puce, compacte et intrinsèquement stable. Afin de bénéficier de l’ensemble des longueurs d’onde sur une sortie unique, les défis majeurs résident dans l’association de technologies pour rassembler les différentes sorties en une seule via l’utilisation de circuits photoniques intégrés (CPI). Ce CPI peut être séparé en trois briques élémentaires : une filière de guidage passif, un combineur de longueurs d’onde et un coupleur actif/passif. Pour la mise-en-forme du faisceau, nous reportons la fabrication et la caractérisation de guides d’onde en InP/InGaAs/InP gravés profondément, avec des performances proches de l’état de l’art. Nous fabriquons et caractérisons des multiplexeurs basés sur des réseaux de diffraction intégrés, sur filière InP et SiGe. Un multiplexeur de 60-vers-1 voies couvrant la gamme de 7-8,5 µm est réalisé. Une méthode innovante mettant en œuvre des multiplexeurs inter-digités et fonctionnant sur trois ordres de diffraction est démontrée. Finalement, nous réalisons des barrettes de laser à cascade quantique sur InP et sur silicium. Un coupleur adiabatique est dimensionné, fabriqué et caractérisé pour associer efficacement les guides actifs et passifs. Des intégrations de types hétérogène et hybride sont envisagées, avec la première démonstration d’une source accordable utilisant une barrette de lasers et un multiplexeur InP
In the mid-infrared, arrays of distributed feedback quantum cascade lasers have been developed as a serious alternative to obtain extended wavelength operation range of laser-based gas sensing systems. Narrow-linewidth, single mode operation and wide tunability are then gathered together on a single chip with high compactness and intrinsic stability. In order to benefit from this extended wavelength range in a single output beam, the key challenge resides in the combination of different technologies to merge the output of different sources via the use of mid-IR photonic integrated circuits (PIC). The PIC can be split into three main blocks: the passive waveguide platform, the beam combiner and the active/passive coupler. For beam handling and guiding, we report fabrication and characterization of deeply etched InP/InGaAs/InP waveguides with state of the art performances. We fabricate and characterize multiplexers based on echelle and arrayed waveguide gratings on InP and SiGe platforms. A 60-to-1 spectral multiplexer operating in the 7-to-8.5 µm range is demonstrated. An advanced multiplexing scheme using interleaved and cross-order operations is also exposed. Finally, we realize quantum cascade laser arrays on InP and silicon. We design, fabricate and characterize an adiabatic coupler to efficiently and monolithically integrate active and passive waveguides. Heterogenous and hybrid integration are also considered with the demonstration of a tunable source using laser array and InP-based multiplexer

Le passage aléatoire des charges à travers une jonction tunnel génère un bruit en courant, qui peut être capté par l'environnement de la jonction où il crée des excitations électromagnétiques appelés photons. Dans cette thèse, nous démontrons qu'une jonction tunnel supraconductrice couplée à un environnement bien choisi peut implémenter une source brillante de rayonnement micro-onde quantique. L'énergie nécessaire pour créer les photons est fournie par la source de tension continue lors du passage tunnel inélastique d’une paire de Cooper à travers la jonction. Nous détectons cette lumière émise et étudions ses propriétés avec des outils de l’optique quantique adaptés au domaine micro-onde. Nous caractérisons le dégroupement des photons émis dans un seul mode fortement couplée à une jonction, ainsi que l’intrication de paires de photons émis dans deux modes à des fréquences différentes. Outre une meilleure compréhension du couplage charge-lumière dans les conducteurs cohérents, ces travaux pourraient déboucher sur de nouvelles façons de manipuler l'information au niveau quantique
The probabilistic charge transfer in tunnel junctions is a source of current noise, which can be picked up by the environment of the junction where it creates electromagnetic excitations - or photons. In this thesis, we demonstrate that a superconducting tunnel junction coupled to a tailored environment can act as a bright source of quantum microwave radiation. The energy required to create photons is extracted from a DC voltage source during the inelastic tunneling of Cooper pair through the junction. We detect this emitted light and study its properties with quantum optics tools adapted to the microwave domain. We characterize the singlephoton nature of the light emitted in a single mode strongly coupled to a junction, as well as the entanglement of photon pairs emitted in two modes at different frequencies. In addition to a better understanding of the charge-light coupling in coherent conductors, this work could lead to new ways of manipulating information at the quantum level

La photonique quantique intégrée promet d'amener l'optique quantique vers un dispositif pratique. L'objectif principal de ce domaine est d'atteindre une intégration évolutive pour diverses applications, notamment l'informatique quantique, la simulation, la communication et la détection. Dans un circuit quantique, des photons, qui portent l'état quantique, sont générés, manipulés à l'aide de composants linéaires et non linéaires, puis détectés. L'objectif de cette étude doctorale est de contribuer au développement de sources de lumière non classique efficaces et évolutives, pour la génération d'intrication, de photons uniques et d'états comprimés. À cette fin, nous introduisons une nouvelle classe de sources basée sur des résonateurs à cristaux photoniques (PhC) et nous démontrons des performances à l'état de l'art en termes d'efficacité et de « footprint ». Les cavités PhC ont été envisagées pour l'optique quantique sans toutefois atteindre des performances suffisantes. Par conséquent, les micro-disques et anneaux ont été couramment utilisés comme sources pour la photonique quantique intégrée.Encouragés par la démonstration des premières oscillations paramétriques optiques (OPO) utilisant une cavité à cristaux photoniques, nous avons exploré l'application potentielle de cette technologie dans le domaine de l'optique quantique. En dessous du seuil, l'OPO génère des paires de photons corrélées grâce à un processus paramétrique spontané, en particulier le mélange à quatre ondes spontané. Les OPO sont couramment utilisés pour générer des paires de photons intriqués et des états « squeezés ». Il est crucial que la cavité contienne trois modes equi-espacés qui correspondent aux fréquences des photons en interaction, car cela garantit une efficacité maximale.Deux géométries de cavités à cristaux photoniques ont été considérées : Nanobeam et Bichromatic, toutes deux constituées de phosphure d'indium-gallium. Le principal résultat est la génération ultra-efficace de paires de photons corrélés dans le temps. Cela confirme nos attentes fondées sur le seuil ultra-bas de l'OPO. En tenant compte de l'état de l'art, nous montrons que l'efficacité est proportionnelle au volume d'interaction dans la cavité. Par conséquent, l'origine de l'efficacité très élevée réside dans le volume très réduit des cavités à cristaux photoniques. De plus, cela implique également une « footprint » réduite sur la puce, ce qui favorise la « scalabilité ». Nous avons ensuite caractérisé davantage les propriétés des photons générés, notamment l'intrication temps-énergie, l'émission de photons uniques annoncés et l'émission de paires de photons en régime pulsé, une étape essentielle vers la démonstration de l'intrication dit « time-bin ». De plus, des étapes préliminaires ont été entreprises pour générer des états comprimés à deux modes. En outre, nous avons également étudié la dynamique classique au-dessus du seuil OPO en échantillonnant son espace de paramètres grâce à des mesures effectuées sur un grand nombre de dispositifs. Cela nous a permis d'établir une condition pour le fonctionnement de l'OPO, en accord avec un modèle mettant en avant le rôle limitant de l'absorption non linéaire. Nous avons également mis en évidence des instabilités potentielles dans le fonctionnement de l'OPO. Enfin, nous avons commencé à aborder la question de la « scalabilité » en réalisant une analyse statistique sur plus de 650 cavités afin d'étudier l'impact des tolérances de fabrication.Ainsi, nous avons démontré des sources quantiques à base de cavités à cristaux photoniques avec un niveau exceptionnel d'efficacité. Cela suggère une nouvelle approche prometteuse pour le développement de sources évolutives au sein des circuits quantiques intégrés
Quantum integrated photonics promises to bring quantum optics into a practical device. The primary objective of this area is to achieve scalable integration for various applications, including quantum computing, simulation, communication, and sensing. In a quantum circuit, photons, which are carriers of the quantum state, are generated, manipulated with linear and nonlinear components, and detected. The goal of this doctoral study is to contribute to the development of efficient and scalable sources of non-classical states of light, e.g: entanglement, single photons, and squeezing. To this purpose, we introduce a novel class of sources based on photonic crystal (PhC) resonators, and we demonstrate state-of-the-art performance in terms of efficiency and footprint. PhC cavities have been considered for quantum optics without, however, achieving remarkable performances. Therefore, micro-disks and rings have been commonly used as sources for integrated quantum photonics. Encouraged by the successful demonstration of the first Optical Parametric Oscillations (OPO) using a PhC cavity, we explored the potential application of this technology in the field of quantum optics. Below the threshold, OPO generates correlated photon pairs through a spontaneous parametric process, specifically spontaneous Four-Wave Mixing (SFWM). In particular, OPOs have been commonly utilized for generating entangled photon pairs and squeezed states. It is crucial that the cavity contains three equispaced modes that match the frequencies of the interacting photons, as this ensures maximum efficiency. Two geometries of PhC cavities have been considered: Nanobeam and Bichromatic, both made of Indium Gallium Phosphide. The main result is the ultra-efficient generation of time-correlated photon pairs. This confirmed our expectations based on the ultra-low threshold of the PhC OPO. Considering the state-of-the-art, we show that efficiency scales with the interaction volume in the cavity. Therefore, the origin of the very large efficiency is the very small volume of the PhC cavities. Moreover, this also implies a much-reduced footprint on the chip, which helps scalability. We have further characterized the properties of the generated photons, in particular time-energy entanglement, heralded single photons, and the emission of photon pairs in time-bins, an essential step towards demonstrating time-bin entanglement. Additionally, preliminary steps towards the generation of two-mode squeezed states have been undertaken. Besides, we have also considered the classical dynamics above OPO threshold by sampling its parameter space by performing measurements on a large number of devices. This allowed us to set a condition for OPO operation in agreement with a model highlighting the limiting role of non-linear absorption. We also revealed potential instabilities in the OPO operation. Finally, we started to address the question of scalability by performing a statistical analysis of over 650 cavities to study the impact of fabrication tolerances. So, we have demonstrated PhC cavity quantum sources with an exceptional level of efficiency. This suggests a promising new approach for the development of scalable sources within quantum integrated circuits

Les évolutions récentes de la cryptographie quantique ont permis de proposer sur le marché des appareils de distribution quantique de clé secrète (QKD). Ceci est obtenu en utilisant soit des variables discrètes et des compteurs de photons (DV), soit des variables continues et des systèmes de détection cohérente (CV). Les avancées technologiques s'orientent maintenant vers la réalisation de dispositifs plus petits, moins chers, et plus commodes à utiliser.L'objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre un protocole CV-QKD sur un circuit optique intégré en silicium, en utilisant une modulation Gaussienne d'états cohérents. Deux approches sont utilisées: dans la première l'émetteur Alice et le récepteur Bob sont sur le même circuit photonique (chip) pour une validation de principe, et dans la deuxième ils sont séparés.Les valeurs mesurées des paramètres de la communication permettent d'échanger une clé secrète
During recent years there have been significant developments in quantum cryptography, bringing quantum key distribution (QKD) devices on the market. This can be done by using either discrete variables (DV) and photon counting, or continuous variables (CV) and coherent detection. Current technological evolutions are now aiming at developing smaller, cheaper and more user-friendly devices.This work focuses on the implementation of CV-QKD using silicon photonics techniques, which provide a high degree of integration. This is exploited to build an on-chip realization of a cryptographic protocol, using Gaussian modulation of coherent states. Two different approaches have been used, first by physically implementing the sender (Alice) and the receiver (Bob) on the same chip for validation purposes, and then by having them onto two separate chips. The measured communication parameters give the possibility to extract a secret key

La photonique silicium est un domaine prolifique de l’optique intégrée. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalités optiques, l’émission laser (en considérant les stratégies d’intégration hybride), la modulation électro-optique, le routage, la détection, pour les télécoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la métrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant à grande échelle avec une grande précision et à bas coût (grâce au technologies CMOS de la microélectronique). L’optique quantique, quant à elle, souffre d’une grande sensibilité aux vibrations et à l’environnement. Les montages optiques nécessitent stabilité, alignement parfait et un grand nombre d’éléments optiques, ce qui limite son développement à grande échelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique intégrée. Le développement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l’implémentation à large échelle de systèmes de clés de cryptage pour les télécoms et le calcul quantique. Les prérequis de la photonique quantique sont globalement plus sévères que ceux de la photonique classique. La génération d’états quantiques nécessite notamment un niveau de réjection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est également un facteur à soigner particulièrement dans la mesure où les paires de photons générées par les processus quantiques sont par principe de très faible puissance. Dans ce contexte, cette thèse aborde le développement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de générer des états intriqués en énergie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception à l’utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits intégrés optiques. La qualification des propriétés quantiques est aussi explorée afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif visé. L’esprit de ce travail est également de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de télécommunications standard (ITU), de n’utiliser que des composants fibrés standards pour les connexions à réaliser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microélectroniques afin de permettre une future production à grand échelle des circuits photoniques quantiques
Silicon photonics is a dynamic research field of integrated optics. It allows to miniaturize numerous optical functionalities such as lasers, electro-optical modulators, routers, detectors, for telecom wavelengths, LIDAR, sensor, metrology or even spectroscopy, all while been able to propose large scale production high precision technologies. On another side, quantum optics suffers from difficulties to scale optical systems, requires extreme stability, perfect alignment, and many bulky optical elements, while solving these issues follows a natural path in integrated photonics. Development of integrated quantum photonics can thus open the door to cheap, powerful, and scalable systems for quantum cryptography, telecoms, and computation. In a significant way, quantum requirements are not the ones of classical circuits with respect to photonic components and circuits. The generation of quantum states indeed requires more than 100dB of pump laser rejection, while being able to manage ultra-low useful optical signals and get rid of on-chip optical noise. In this context, this thesis is dedicated to the study, dimension, realization, and characterization of silicon photonic components and circuits for quantum optics on a chip. The target goal is to generate entangled states in energy-time and manipulate them on chip. The qualification of the quantum properties is also explored to better understand the limitations of the silicon platform in the followed objectives. Another choice of this work is to stay in telecoms wavelength and aligned with the standard channels (ITU grid), to only use off-the-shelf components, all while been CMOS compatible and compliant with standard fabrication process, this to allow the possibility to produce on large scale

Mon travail de thèse a porté sur l'étude du confi nement des photons et des électrons dans plusieurs systèmes. Tout d'abord, j'ai étudié un nouveau type de nanocristaux semiconducteurs pour obtenir -à température ambiante- une source e fficace de photons uniques polarisés. Ensuite, j'ai développé une technique d'excitation à deux photons pour des polaritons de microcavités semiconductrices. Ces nanocristaux semiconducteurs présentent la particularité d'avoir une coquille semiconductrice allongée en sulfure de cadmium (CdS) autour d'un coeur sphérique en séléniure de cadmium (CdSe). Depuis plus de dix ans, les nanocristaux semiconducteurs sont connus pour être des émetteurs efi caces de photons uniques à température ambiante. Leur photoluminescence sou rait de deux défauts : le clignotement, qui est une alternance entre des états allumés et éteints, ainsi qu'une très faible polarisation de leur émission. Lors de mon étude, en agissant sur les paramètres géométriques des nanocristaux (diamètre du c÷ur et longueur de la coquille) j'ai obtenu l'émission de photons uniques fortement polarisés (taux de polarisation linéaire supérieur à 80%) et montré le lien entre la polarisation et le rapport d'aspect des nanocristaux. De plus, en ajustant fi nement l'épaisseur de la coquille, j'ai démontré la possibilité de supprimer drastiquement le clignotement, tout en gardant une source de photons uniques de très haute qualité (g(2) < 0:2). Dans la deuxième partie de mon travail de thèse, je me suis intéressé au couplage fort lumière-matière dans des microcavités et micropiliers semiconducteurs. J'ai développé et caractérisé un nouveau type d'excitation pour les polaritons basé sur une absorption à deux photons. Dans le cas des micropiliers, où les polaritons sont con nés dans un système 0D, nous avons démontré un e et laser sous pompage à deux photons. La relaxation du système et les interactions entre polaritons sont comparées sous différentes géométries d'excitation.

Le travail résumé dans ce manuscrit est dédié à l'étude de différentes nanostructures semiconductrices : des microcavités et des micropiliers en régime de couplage fort et des nanocristaux émetteurs des photons uniques. Nous avons développé une méthode originale d'injection de polaritons reposant sur une absorption à deux photons. Après en avoir démontré l’efficacité dans des microcavités, nous avons étudié l'émission laser de micropiliers en régime femtoseconde. Ensuite, nous avons observé, à l'aide d'impulsions picosecondes, les relaxations des polaritons dans des micropiliers avec différents désaccords cavité-exciton. Cette technique pourrait se révéler très intéressante pour la mise en évidence du blocage de Coulomb de polariton, pour l'étude de fluides quantiques de polaritons ou encore pour la génération de photons THz à l'aide d'une microcavité. Dans la deuxième partie, nous avons étudié un nouveau type de nanocristaux avec un cœur sphérique et une coquille allongée en forme de bâtonnet. Nous avons démontré une modification de la structure électronique de nanobâtonnets en CdSe/CdS en fonction du diamètre du cœur. Pour des cœurs petits (d=2. 7nm), les électrons sont délocalisés dans l'ensemble de la coquille, contrairement au cas des gros cœurs (d=4. 2nm) où ils sont localisés. Nous avons montré qu'il est possible de contrôler les canaux radiatifs et non radiatifs de recombinaison en modifiant les dimensions de la coquille aboutissant à une forte réduction du clignotement. De plus, l'asymétrie de la structure confère à ces nanocristaux un dipôle linéaire permettant l'émission de photons uniques.

Depuis plus d'une décennie, on sait faire croître des boîtes quantiques InGaAs/GaAs (BQs) dopées avec un seul atome magnétique tel que Mn. Cette avancée a permis d'étudier l'interaction d'échange sp-d à l'échelle microscopique. Dans le contexte des technologies quantiques, ces BQs dopées au Mn présentent une structure de niveaux et des règles de sélection optique d'un grand intérêt pour la mise en œuvre de protocoles quantiques basés sur l'intrication spin-photon. La réalisation d'une spectroscopie optique cohérente de ces QDs est la première étape vers leur application possible dans ce domaine. Jusque-là, les BQs InGaAs dopées au Mn dans un état de charge bien défini n'avaient été étudiées que sous excitation non résonnante par micro-photoluminescence (µ-PL). Pour exciter ces BQs de manière résonante, nous avons d'abord mis au point un microscope confocal à champ sombre basé sur le rejet du laser résonant réfléchi dans une configuration à polarisation croisée. Bien que nous ayons obtenu une extinction proche de l'état de l'art, la réalisation d'une véritable expérience de fluorescence par résonance s'est avérée difficile. En raison de diffusion spectrale élevée dans notre échantillon, le signal PL s'est avéré bien trop faible par rapport bruit de grenaille du laser réfléchi. Pour contourner ce problème, nous avons mis en œuvre une expérience de diffusion Raman résonante basée sur des transitions spécifiques de type Λ, ce qui nous a permis d'enregistrer le signal PL à une longueur d'onde différente de celle du laser résonnant, tout en donnant accès à l'étude de la cohérence des états de spin excités. Nous avons d'abord appliqué cette technique pour étudier le cas d'un dopant Mn passivé par un atome d'hydrogène H. Dans les matériaux III-V, le Mn agit comme un accepteur peu profond. La passivation à l'hydrogène vise à empêcher la formation de cet état accepteur en liant l'un des atomes d'As voisins du Mn à un atome d'H. La signature optique résultante observée dans le spectre PL standard a révélé des motifs complexes notamment en champ magnétique. Pour interpréter ces résultats, nous avons développé un modèle théorique traitant le dopant Mn compensé comme un système de spin 5/2 sous forte contrainte uni-axiale, donnant lieu à une structure de niveaux qui a pu être confirmée par nos mesures de spectroscopie résonante. Incidemment, l'accord de notre modèle avec les résultats expérimentaux a nécessité de considérer une interaction d'échange ferromagnétique trou-Mn, contrairement à l'échange anti-ferromagnétique typique dans les BQs II-VI et III-V. Nous nous sommes ensuite concentrés sur la spectroscopie de cohérence de BQs InGaAs dopées avec 1 Mn non passivé, afin d'étudier la cohérence entre différents états de spin. Nous avons d'abord utilisé un seul laser accordable pour scanner de manière résonnante les transitions d'un système en V, tout en mesurant la fluorescence due à la diffusion Raman résonnante vers un état spectateur. Les doublets d'Autler-Townes ont été résolues avec succès à puissance laser élevée, malgré l'élargissement inhomogène considérable des transitions optiques, ce qui a permis de mesurer les dipôles optiques. Pour décrire ce système, nous avons utilisé un modèle théorique basé sur les équations de Bloch optiques, qui a montré un excellent accord avec les résultats expérimentaux. Il nous a également permis d'estimer le temps de relaxation du spin entre les états fondamentaux ferromagnétique et antiferromagnétique. Par la suite, nous avons réalisé une expérience à deux lasers, l'un fixé sur l'une des transitions du système V tandis que l'autre balaie la transition restante. L'utilisation de deux lasers a permis de créer une cohérence entre les états de spin excités, ce qui détermine le contraste du doublet Autler-Townes mesuré par cette méthode. En modélisant ces résultats, nous avons pu démontrer que le temps de cohérence du spin des états excités est principalement déterminé par leur durée de vie radiative
For over a decade, it has been possible to grow InGaAs/GaAs quantum dots (QDs) doped with a single magnetic atom such as manganese (Mn). This advancement enabled the investigation, at the single spin level, of the sp-d exchange interaction between the 3d5 electrons of Mn and individual carriers (electrons or holes). Additionally, in the context of quantum technologies, these Mn-doped QDs present a structure of levels and optical selection rules of potential high interest to implement quantum protocols based on spin-photon entanglement. Performing optical coherent spectroscopy of such QDs is the first step towards their possible application in this field. Before this work, Mn-doped InGaAs QDs in a well-defined charge state have been studied only under non-resonant excitation with micro-photoluminescence (µ-PL) set-up. To resonantly excite these QDs, we first developed a dark-field confocal microscope setup based on the rejection of the reflected resonant laser in a cross-polarized configuration. Although we achieved near state-of-the-art extinction of the stray light from the laser, performing a true resonance fluorescence experiment proved challenging. Indeed, due to the absence of optical cavity in our sample and to the presence of spectral diffusion, the PL signal turned out to be still a few orders of magnitude lower than the reflected laser shot noise, requiring a too long acquisition time to be extracted. To circumvent this issue, we implemented a resonance Raman scattering experiment based on specific Λ-like transitions found in these QDs, enabling us to record PL signal at a different wavelength than the resonant laser, and still giving us access to the study of excited spin state coherence. We actually first applied this technique to study the case of an H-passivated Mn dopant in a QD. In III-V materials, Mn acts as a shallow acceptor with a magnetic center and localized hole. Hydrogen passivation aimed to prevent the formation of this acceptor state by bonding of one of the neighboring As atoms of Mns to an H atom. The resulting optical signature observed in standard PL spectrum revealed intricate line patterns with unique magnetic field behavior. To interpret these results, we developed a theoretical model treating the compensated Mn dopant as a 5/2 spin system in a highly strained configuration, giving rise to a structure of levels that could be confirmed via our resonant optical excitation set-up. Remarkably, achieving agreement with experimental results required considering a ferromagnetic h-Mn exchange interaction, in contrast to the typical antiferromagnetic p-d exchange in Mn-doped II-VI and III-V QDs. We then focused on conducting coherence spectroscopy of non-passivated Mn-doped InGaAs QDs to study the coherence between different spin states. We first used a single scanning laser to resonantly excite one of the two transitions of a V-type system and measured the fluorescence due to resonant Raman scattering towards a spectator state. Autler-Townes splittings were successfully resolved under conditions of high laser power, despite the considerable inhomogeneous broadening of the optical transitions, providing a measurement of the optical dipoles. To describe this system, we used a theoretical model based on the optical Bloch equations, which demonstrated excellent agreement with the experimental results. It also enabled us to estimate the spin relaxation time between the ferromagnetic and antiferromagnetic ground states. Subsequently, we conducted a two-laser experiment, with one laser fixed on one of the V-system transitions while the other scanned the remaining transition. The use of two lasers was instrumental in creating coherence between the excited spin states, which notably determined the contrast of the measured Autler-Townes doublet. By modelling these results, we could evidence that the spin coherence time of the excited states is mostly determined by their radiative lifetime

Les sources de paires de photons sont un composant essentiel des technologies émergentes en information quantique. De nombreux travaux ont permis des avancées importantes utilisant des processus non linéaires d'ordre 2 dans les cristaux et les guides d'ondes, et d'ordre 3 dans les fibres. Les limitations viennent dans le premier cas, des pertes et en particulier des pertes de couplage avec les fibres optiques et dans le second cas, du bruit dû à l'effet Raman dont le spectre est très large dans les fibres de silice. Ce projet propose une nouvelle architecture basée sur des fibres à cristal photonique à coeur creux (FCPCC) que l'on peut remplir de liquide ou de gaz non linéaire. Cette configuration permet la génération paramétrique de paires de photons corrélés par mélange à quatre ondes sans l'inconvénient de la diffusion Raman. Cette technologie offre une large gamme de paramètres à explorer en s'appuyant sur les propriétés physiques et linéaires contrôlables des FCPCC et la possibilité de remplissage de ces fibres avec des fluides aux propriétés non-linéaires variées. En effet, par une conception judicieuse de la FCPCC et un choix approprié du liquide ou du gaz, il est possible de (i) contrôler la dispersion et la transmission pour générer des photons corrélés sur une large gamme spectrale avec la condition d'accord de phase la plus favorable, (ii) d'ajuster la taille de coeur de la fibre et/ou sa forme pour augmenter sa non-linéarité ou son efficacité de couplage avec d'autres fibres et (iii) de s'affranchir totalement de l'effet Raman si on utilise par exemple un gaz monoatomique, ou d'obtenir des raies Raman fines, aisément discriminables des raies paramétriques dans le cas d'un liquide
Photon pair sources are an essential component of the emerging quantum information technology. Despite ingenious proposals being explored in the recent years based on either second order nonlinear processes in crystals and waveguides or on third order processes in fibers, limitations remain, due to losses and specifically coupling losses in the former case and due to Raman generation in silica, giving rise to a broad spectrum noise in the latter. These limitations have been challenging to lift because of the limited alternative nonlinear materials that fulfil the conditions for the generation of bright and high fidelity photon pairs in integrable photonic structures. In the present project, we develop a new and versatile type of photonic architecture for quantum information applications that offers access to a variety of nonlinear optical materials that are micro-structured in optical fiber forms to generate photon pairs, without the drawback of Raman scattering and with a large design parameter-space. Indeed, with a careful design of the HCPCF along with the appropriate choice of fluid, one can (i) control the dispersion and the transmission to generate photons with the most favourable phase-matching condition over a large spectral range, (ii) adjust the fibre core size and/or shape to enhance nonlinearity or the coupling efficiency with other fibres, (iii) totally suppress the Raman effect in monoatomic gases for instance or have only narrow and separated Raman lines that can thus be easily separated from the useful parametric lines in liquids

La distribution quantique de clé (QKD) est une des premières technologies quantiques qui ait atteint un stade commercial, en proposant une solution au problème de la distribution d’une clé cryptographique entre deux entités, et en garantissant une sécurité à long terme. Elle est maintenant proche de la maturité technologique, et plusieurs méthodes sont disponibles en pratique. Cette thèse étudie la distribution quantique de clé à variables continues (CV-QKD), qui a plusieurs éléments communs avec les communications optiques cohérentes classiques, et qui pourrait permettre à beaucoup d’utilisateurs d’accéder à la QKD.L’utilisation de techniques de traitement numérique (Digital Signal Processor ou DSP), typiques en communications classiques, a été seulement partiellement exploitée dans les implémentations CV-QKD précédentes. Dans ce travail nous mettons en œuvre expérimentalement des techniques usuelles dans les communications classiques, comme la mise en forme d’impulsions, le filtrage adaptatif et la récupération de mode. Notre objectif est d’augmenter ainsi le taux de clé secrète, et d’optimiser l’utilisation de la bande passante disponible.La possibilité d'intégrer des composants dans un circuit photonique (PIC) est un autre avantage de CV-QKD. Nous avons testé un PIC en silicium intégrant un coupleur hybride 180º et deux photodiodes en germanium. Les paramètres mesurés sont compatibles avec la génération de clé secrète dans ces dispositifs.Un des facteurs les plus limitants de QKD est la chute des performances dans les canaux ayant des pertes très élevées, typiquement des fibres optiques dont la longueur dépasse la centaine de kilomètres. Mais la distance utile peut être étendue notablement en utilisant des liens en espace libre, en particulier avec des satellites, où les pertes à une certaine distance peuvent être inférieures à celles des fibres. Nous considérons un modèle pour le canal descendant et prédisons les taux de clé secrète attendus à différentes altitudes pour CV-QKD. Ces résultats aboutissent à une technologie potentiellement utilisable pour les communications par satellite, en étendant la portée jusqu’à des distances intercontinentales
Quantum key distribution (QKD) is one of the first quantum technologies that were able to provide commercially meaningful solutions to the problem of distributing cryptographic keys between trusted parties, guaranteeing long term security. It is now progressing towards technical maturity, by proposing multiple implementation alternatives. In this thesis, we study Continuous-Variables QKD (CV-QKD), which shares many common elements with classical coherent communication systems, and is a good candidate to facilitate the access to QKD for more users.The use of digital signal processing (DSP) techniques typical in classical communications has been only partially exploited in previous CV-QKD implementations. We experimentally implement standard telecommunication techniques like pulse shaping, adaptive filtering and mode recovery in order to improve the quantum secret key rate and optimize the occupied bandwidth.The potential of integration of the components in a photonic integrated circuit (PIC) is another important aspect of CV-QKD. We have tested a silicon photonics PIC integrating a 180º hybrid detector with two germanium photodiodes, showing that measured parameters are compatible with the generation of secret key.One of the most limiting factors of QKD is the performance under lossy channels, which is common in optical fibre for distances in the order of hundred kilometers. The range can be significantly extended using free space communications, and in particular satellites, where the losses at longer distances can be lower than those in fibre. We consider a model for a downlink satellite channel and predict the achievable secret key rates at different altitudes for CV-QKD, resulting in a potentially feasible technology for satellite communications, extending the range to intercontinental distances

Cette thèse est consacrée au développement de nouveaux dispositifs semi-conducteurs intégrés et de méthodes pour la génération et la manipulation d'états lumineux de haute dimension. Nous présentons l'étude d'un guide d'onde AlGaAs utilisant un processus de conversion paramétrique spontanée de type II en régime de pompage monochromatique, s’intéressant en particulier à l'amplitude spectrale jointe de l'état émis. La source fonctionne à température ambiante, émet des paires de photons dans le domaine des télécommunications et est compatible avec l'injection électrique. La génération d'états biphotoniques à large bande est démontrée expérimentalement par la reconstruction de l'intensité spectrale jointe et par une expérience de Hong-Ou-Mandel indiquant que les photons signal et complémentaire sont émis sur une large bande spectrale (170 nm) et avec un haut degré d'indiscernabilité (V=0,86). De plus, nous montrons que l'effet de cavité dû à la réflectivité des facettes des guides d'onde conduit à la production de peignes de fréquence à deux photons. Cette plateforme est utilisée pour démontrer une méthode originale de génération et de contrôle de la symétrie des états peignes exploitant les effets de cavité et un retard imposé entre les deux photons de chaque paire. Plus spécifiquement, nous montrons qu'un réglage fin de la fréquence de la pompe permet de générer des états peignes résonnants et anti-résonants permettant de manipuler la symétrie de la fonction d'onde. La méthode peut être adaptée et appliquée à une grande variété de systèmes, massifs ou intégrés, augmentant ainsi leur flexibilité et la richesse des états générés en vue de la mise en œuvre de nouveaux protocoles d'information quantique. En outre, nous démontrons la réalisation d'un guide d'onde AlGaAs pour la génération de faisceaux lumineux portant un moment angulaire de spin et présentons la conception d'un dispositif pour la génération d'un faisceau lumineux portant un moment orbital angulaire de premier ordre
This thesis is devoted to the development of novel integrated semiconductor devices and methods for the generation and manipulation of high-dimensional states of light. We report on the study of an AlGaAs waveguide implementing type-II spontaneous parametric down conversion process in a monochromatic pump regime, with a focus on the joint spectral amplitude of the emitted biphoton state. The source works at room temperature, emits photon pairs in the telecom range and is compliant with electrical injection. The generation of broadband biphoton states is experimentally demonstrated via the reconstruction of the joint spectral intensity and via a Hong-Ou-Mandel experiment indicating that signal and idler photons are emitted over a large bandwidth (170nm) and with a high degree of indistinguishability (V=0.86). Moreover, we show that the cavity effect due to waveguide facets reflectivity leads to the production of biphoton frequency-comb states. This platform is used to demonstrate an original method to generate and control the symmetry of biphoton frequency combs exploiting cavity effects and a delay between the two photons of each pair. More specifically, we show that a fine tuning of the pump frequency enables the generation of resonant and anti-resonant comb states allowing to manipulate the wavefunction symmetry. The method can be adapted and applied to a large variety of systems, either bulk or integrated, thus increasing their flexibility and the richness of the generated states in view of implementation of new quantum information protocols.In addition, we demonstrate the realization of an AlGaAs ridge waveguide for the generation of light beams with tailored phase and polarization distributions, carrying spin angular momentum, and present the design of a device for the generation of a twisted light beam, carrying first order orbital angular momentum

L’étude de l’interaction entre la lumière et la matière n’a cessé de susciter un intérêt croissant au fil des années. L’amélioration des techniques de fabrication des cavités électromagnétiques permet aujourd’hui de coupler ces cavités à des nanocircuits, se faisant, combinant les champs de l’optique quantique et de la nanoélectronique. À cela s’ajoute enfin la démonstration expérimentale de la possibilité d’utiliser un microscope à effet tunnel comme cavité plasmonique couplée au transport électronique. Cette thèse propose un cadre théorique basé sur l’électrodynamique quantique en cavité, permettant l’étude du couplage entre le transport électronique dans une jonction moléculaire et le champ électromagnétique d’une cavité. L’attention est portée sur le régime de transfert tunnel séquentiel des électrons, auquel est adapté l’utilisation les calculs basés sur l’usage de la matrice densité. Ce régime permet d’établir les equations maîtresses régissant l’évolution temporelle de la matrice densité, ainsi qu’un schéma de calcul numérique du courant électronique et des propriétés statistiques des photons dans la cavité quand il n’est pas possible d’obtenir un résultat analytique. Dans un premier temps, l’attention est portée sur un modele de jonction moléculaire à une orbitale. En effet, l’existence d’un courant électronique signifie que la charge de la molécule fluctue et cette fluctuation se couple au champ électromagnétique de la cavité. L’étude de ce premier système est faite dans le régime, expérimentalement pertinent, de fort taux d’amortissement κ ≥ kBT du mode de la cavité et de couplage lumière–matière arbitrairement élevé. Ce modèle met en évidence l’équivalence du couplage électron–photon et du couv plage électron–phonon pour un unique niveau électronique. Ce couplage électron–phonon est étudié depuis longtemps en nanoélectronique sous le nom de principe Franck–Condon. La caractéristique courant–tension du circuit fait apparaitre une évolution par paliers ou seuils inelastiques, chacun séparé par l’énergie d’un photon. Ce phénomène correspond à une dissipation d’énergie, par émission de photons dans la cavité, médiée par le courant électronique. Pour cette étude, une formule du courant électronique prenant en compte l’effet de l’amortissement de la cavité(facteur de qualité Q ≈ 10) a été dérivée. Cela a permis de montrer que la largeur des sauts du courant est contrôlée par κ plutôt que la température. Ce modèle démontre la possibilité d’obtenir divers régimes d’émission de lumière par passage de courant au sein de la jonction. Pour une importante différence de potentiel entre les électrodes de la jonction, cette théorie prédît un important groupement («bunching») des photons émis dans la cavité. La fonction de corrélation de deux photons à temps égaux g(2)(0) atteint alors une valeur de l’ordre de κ/Γ, où Γ est le taux de transfert tunnel des électrons. En revanche, au premier seuil de transfert inélastique des électrons, cette théorie prédît une émission de lumière non–classique provoquée par le courant électronique moléculaire à un niveau (la jonction se comporte alors comme une source à un photon). Enfin, nous avons montré qu’en présence d’une source de voltage dépendant du temps appliqué à la cavité, le courant dc présente des paliers analogues à ceux obtenus dans le régime Franck–Condon. La théorie développée dans cette thèse est ensuite appliquée à une jonction moléculaire à deux niveaux électroniques. Dans ce scénario, le mode de la cavité se couple à la transition électronique entre les deux orbitales moléculaires. L’effet des fluctuations des charges de chaque orbitale est négligé. Dans ce cadre, nous avons étudié le cas d’un couplage cavité-molécule de type dipolaire électrique. L’attention est portée principalement sur le régime de couplage faible entre le dipole de la molécule et le mode de la cavité. [...]
The study of light–matter interaction has drawn through the years more and more interest. With the improvement of the techniques used for building electromagnetic cavities, it is now possible to couple cavities with nanocircuits merging the fields of quantum optics and nanoelectronics.Not only that, but some experiments also reported the possibility to use a scanning tunneling microscope as a plasmonic cavity coupled with electronic transport. In this thesis a theoretical framework is proposed, based on mesoscopic quantum electrodynamics, for studying the coupling between electronic transport in a molecular junction and the electromagnetic field of a cavity. This thesis focuses on the sequential tunneling regime for the electrons and use density matrix approach. This allows to derive the master equation as well as a computational scheme to compute electronic current and the photon statistic when it is not possible to obtain analytical results. First, a single–level model for the molecule in the junction is studied. Indeed the electronic current induces a fluctuation of the charge on the molecule that couples with the electromagnetic field in the cavity. The investigations on this system are done in the experimentally relevant limit of large damping rate κ for the cavity mode and arbitrary strong light–matter coupling strength. This model shows the equivalence between the electron–photon coupling for a single level and the electron– phonon coupling that has long been studied in nanoelectronics known as the Franck–Condon principle. The current–voltage characteristics show steps, each separated by the energy of a photon, as the electron tunneling dissipate some energy in the cavity mode. In this work a formula has been derived for the electronic current taking into account the damping of the cavity. This allows to show that the width of the current’s steps are controlled by κ rather than the temperature. The single-level junction shows interesting light–emission regimes. At large bias voltage this theory predicts strong photon bunching of the order κ/Γ where Γ is the electronic tunneling rate. However, at the first inelastic threshold the theory predicts current–driven non–classical light emission from the single–level junction. Finally the investigation of the effect of a strong external drive of the cavity on the electronic current shows a quantization of the current that is linked to the Franck–Condon effect. Finally the theory is applied to a double–level model for the molecular junction inspired by quantum optics. In this scenario, the cavity mode couples to the electronic transition between the two states of the molecule. The effect of the charge fluctuations for each single electronic level is neglected. Therefore the coupling is a dipolar coupling in this case. The focus is mainly on the weak coupling regime. The electronic current shows the Rabi splitting due to the hybridization of the cavity mode and the molecule. Electronic tunneling can occur into these hybridized states and is responsible for light emission in the cavity in a iii single tunneling process. Light antibunching is seen in the weak coupling regime since our model predicts that only single photon emission is possible during a tunneling event in this case. Though the intermediate coupling regime is only briefly treated, the strong coupling regime is shown to be similar to two independent single level
El estudio de las interacciones entre luz y materia ha atraído un interés creciente a lo largo de los años. La mejora de las técnicas de fabricación de las cavidades electromagnéticas permite hoy conjugar las cavidades con nanocircuitos, combinando así los campos de la óptica cuántica y de la nanoelectrónica. Se añade a eso la posibilidad de usar un microscopio con efecto túnel a modo de cavidad plasmónica combinada con el transporte electrónico que fue demostrado en numerosas experiencias. Esa tesis propone un cuadro teórico basado en la electrodinámica mesoscópica, permitiendo el estudio de la combinación del transporte electrónico dentro de una unión molecular con el campo electromagnético de una cavidad. El foco se centra en el régimen túnel secuencial de los electrones, a cual está apto el uso de la matriz densidad para los cálculos. Ese régimen permite establecer ecuaciones claves que rigen el desarrollo temporal de la matriz densidad, tal como un esquema de cálculo numérico de la corriente electrónica y de la estadística de los fotones en la cavidad cuando no es posible obtener un resultado analítico. Primero se estudia un modelo de un solo nivel electrónico para la molécula. En efecto, la existencia de una corriente electrónica significa que la carga en la molécula fluctúa y esa fluctuación se combina con el campo electromagnético de la cavidad. El estudio de ese sistema se hace en el limite, experimentalmente pertinente, del ratio alto de la amortiguación κ del modo de la cavidad y del acoplo luz–materia arbitrariamente alto. Ese modelo demuestra la equivalencia del acoplo electrón– fotón para un nivel electrónico y el acoplo electrón–fonón que se ha estudiado desde hace mucho tiempo en el campo de la nanoelectrónica bajo el nombre del principio de Franck–Condon. La característica corriente– tensión del circuito hace aparecer una evolución de escalones, cada uno separado por la energía de un fotón. Eso corresponde a una disipación de energía por parte de los electrones al modo de la cavidad durante el proceso de transporte. En ese trabajo se derivó una ecuación para la corriente electrónica que toma en cuenta el efecto de la amortiguación de la cavidad. Esto demuestra que la anchura de los saltos en la corriente está controlada por κ más que por la temperatura. El modelo de un solo nivel muestra también regímenes inesperados de emisión de luz. En el límite de voltaje alto entre los electrodos de la unión molecular, la teoría predice una agrupación («bunching») de los fotones emitidos dentro de la cavidad. La correlación entre dos fotones emitidos alcanza un valor del orden de κ/Γ donde Γ es el ratio de tunelamiento de los electrones. Sin embargo, en el primer umbral de transferencia inelástica esa teoría iv predice una emisión de luz no-clásica provocada por la corriente electrónica. Por fin, el estudio del impacto de una fuerte excitación externa del modo de la cavidad muestra también una cuantización de la corriente relacionada al efecto Franck–Condon. Finalmente, la teoría desarrollada en esta tesis está aplicada también a una unión molecular de dos niveles electrónicos inspirada de la óptica cuántica. En ese escenario el modo de la cavidad está acoplado con la transición electrónica entre dos orbitales moleculares. El efecto de fluctuaciones de carga en cada orbital no se tiene en cuenta. Entonces en ese marco el acoplo es solo dipolar. Se centra la atención principalmente en el régimen del acoplo débil. La corriente electrónica muestra la huella de oscilaciones de Rabi como resultado de la hibridación del modo de la cavidad con la molécula. El transporte de electrones se puede ocurrir mediante estos estados híbridos. Entonces el traslado de un único electrón es responsable de la emisión de un fotón en la cavidad. Se observa el desagrupamiento («anti-bunching») de la luz emitida

Le lointain infrarouge (16 µm < λ < 30 µm) est un domaine important pour des applications telles que la détection de large molécules organiques (dont les empreintes d'absorption tombe dans cette gamme de longueur d'onde) et pour la radio-astronomie (oscillateurs locaux pour la détection hétérodyne). Malheureusement, cette fenêtre de transparence atmosphérique, communément appelé la 4eme fenêtre de transparence, est un domaine quasi inexploré.Les LCQ sont des sources de lumière cohérentes, couvrant une gamme allant du moyen infrarouge jusqu'au THz, basées sur l'ingénierie de structures de bandes de matériaux semi-conducteurs. Ils démontrent d'excellentes performances dans le domaine du proche infrarouge mais leur efficacité diminue dans la 4ème fenêtre et au-delà.L'un des buts de cette thèse est le développement d'une nouvelle génération de LCQ capable de couvrir cette zone spectral avec de bonnes performances, en terme de puissance de sortie du dispositif et de température maximale d'opération. Un point clé dans cette optique est l'utilisation d'un nouveau système de matériaux pour ces longueurs d'onde : l'InAs/AlSb. L'avantage de cette solution réside dans sa très faible masse effective : 0,023 m0 (comparée à 0,043 m0 dans les puits d'InGaAs), qui permet d’obtenir un gain plus élevé, résultant dans l'amélioration significative des performances.Une autre approche fondamentalement différente réside dans le régime de couplage fort. L'utilisation d'un temps caractéristique ultra-rapide, associé aux oscillations de Rabi, peut permettre dans un premier temps de réaliser des sources électroluminescentes avec un meilleur rendement quantique (comparé à une transition inter-sous-bandes nue). Les pseudos particules qui découlent du régime de couplage fort dans les transitions inter-sous-bandes (appelés polaritons inter-sous-bandes) peuvent sous certaines limites se comporter comme des bosons. On entrevoit alors la possibilité de réaliser des sources cohérentes basées sur la relaxation d'un condensat polaritonique
The far infrared (16 µm < λ < 30 µm) is an important area for applications such as detecting wide organic molecules (whose absorption fingerprints falls in this wavelength range) and for radio-astronomy (local oscillator for the heterodyne detection). Unfortunately, the atmospheric transparency window, commonly called the 4th transparency window is almost unexplored.QCL are coherent light sources, covering a range from infrared to THz, based on the engineering of band structures of semiconductors. They have excellent performances in the mid infrared but their effectiveness diminishes in the 4th window and beyond.One aim of this thesis is the development of a new generation of QCL able to cover this spectral region with good performance in terms of output power and maximum operating temperature. A key point in this context is the use of a new material system for these wavelengths: InAs / AlSb. The advantage of this solution is its very small effective mass : 0.023 m0 (compared to 0.043 m0 in the InGaAs wells), which provides a higher gain, resulting in significant performances improvement.Another fundamentally different approach lies in the strong coupling regime. Using an ultra-fast characteristic time associated with Rabi oscillations, can allow the realization of emitting sources with improved quantum efficiency (compared to an bare inter-subband transition). pseudo particles arising from the strong coupling regime in the inter-subband transitions (called polaritons inter-sub-bands) may under certain limits behave as bosons. One then sees the possibility of coherent sources based on the relaxation of a polariton condensate

Les sources de paires de photons sont un composant essentiel des technologies émergentes en information quantique. De nombreux travaux ont permis des avancées importantes utilisant des processus non linéaires d'ordre 2 dans les cristaux et les guides d'ondes, et d'ordre 3 dans les fibres. Les limitations viennent dans le premier cas, des pertes et en particulier des pertes de couplage avec les fibres optiques et dans le second cas, du bruit dû à l'effet Raman dont le spectre est très large dans les fibres de silice. Ce projet propose une nouvelle architecture basée sur des fibres à cristal photonique à coeur creux (FCPCC) que l'on peut remplir de liquide ou de gaz non linéaire. Cette configuration permet la génération paramétrique de paires de photons corrélés par mélange à quatre ondes sans l'inconvénient de la diffusion Raman. Cette technologie offre une large gamme de paramètres à explorer en s'appuyant sur les propriétés physiques et linéaires contrôlables des FCPCC et la possibilité de remplissage de ces fibres avec des fluides aux propriétés non-linéaires variées. En effet, par une conception judicieuse de la FCPCC et un choix approprié du liquide ou du gaz, il est possible de (i) contrôler la dispersion et la transmission pour générer des photons corrélés sur une large gamme spectrale avec la condition d'accord de phase la plus favorable, (ii) d'ajuster la taille de coeur de la fibre et/ou sa forme pour augmenter sa non-linéarité ou son efficacité de couplage avec d'autres fibres et (iii) de s'affranchir totalement de l'effet Raman si on utilise par exemple un gaz monoatomique, ou d'obtenir des raies Raman fines, aisément discriminables des raies paramétriques dans le cas d'un liquide
Photon pair sources are an essential component of the emerging quantum information technology. Despite ingenious proposals being explored in the recent years based on either second order nonlinear processes in crystals and waveguides or on third order processes in fibers, limitations remain, due to losses and specifically coupling losses in the former case and due to Raman generation in silica, giving rise to a broad spectrum noise in the latter. These limitations have been challenging to lift because of the limited alternative nonlinear materials that fulfil the conditions for the generation of bright and high fidelity photon pairs in integrable photonic structures. In the present project, we develop a new and versatile type of photonic architecture for quantum information applications that offers access to a variety of nonlinear optical materials that are micro-structured in optical fiber forms to generate photon pairs, without the drawback of Raman scattering and with a large design parameter-space. Indeed, with a careful design of the HCPCF along with the appropriate choice of fluid, one can (i) control the dispersion and the transmission to generate photons with the most favourable phase-matching condition over a large spectral range, (ii) adjust the fibre core size and/or shape to enhance nonlinearity or the coupling efficiency with other fibres, (iii) totally suppress the Raman effect in monoatomic gases for instance or have only narrow and separated Raman lines that can thus be easily separated from the useful parametric lines in liquids

Depuis 1994, les lasers à cascade quantique se sont imposés comme la source laser à semiconducteur de choix dans le domaine du moyen et du lointain infrarouge. Comme la plupart des molécules chimiques possèdent des bandes d'absorption entre les niveaux de rotation-vibration qui se situent dans le moyen infrarouge, les lasers à cascade quantique sont particulièrement adaptés aux applications telles que la spectroscopie, la détection de gaz à l'état de traces ou l'imagerie médicale. Une des voies de recherche actives est aujourd'hui leur optimisation en vue de leur miniaturisation et de leur intégration dans des microsystèmes de détection.
Ce travail de thèse présente l'étude et l'optimisation du confinement optique vertical dans des hétérostructures lasers à cascade quantique épitaxiées sans couche de confinement supérieure. Ces structures sont intéressantes puisqu'elles sont adaptées à la fois au guide à plasmons de surface et au guide avec un confinement par air. En menant une étude approfondie de la répartition du mode optique et du courant électrique, nous avons conçu des structures originales qui ouvrent notamment de nouvelles perspectives sur l'utilisation de ces lasers pour la détection de fluides. Nous avons également montré que l'observation par microscopie en champ proche est un outil précieux pour la caractérisation et la compréhension des lasers à cascade quantique. Finalement, nous posons les bases nécessaires à la réalisation de matrices de lasers monomodes, utilisant la technologie des cristaux photoniques.

Les récents progrès de la physique quantique en matière de manipulations d'objets quantiques individuels et/ou collectifs promettent une révolution dans les domaines de la communication, de la métrologie, de l'informatique et de la simulation. Plus spécifiquement, l'avènement des nouvelles technologies quantiques repose sur la génération, la manipulation et le contrôle d'états quantiques tels que l'intrication. Découverte il y a plus de 30 ans, la lumière comprimée s'est imposée comme un outil de choix pour la mise en œuvre des technologies quantiques, mais son utilisation souffre encore aujourd'hui d'un manque crucial de compacité, freinant ainsi la croissance de certaines réalisations en photonique quantique.Pour pallier ce problème, nous avons développé une plateforme photonique compacte de génération et de détection de lumière comprimée aux longueurs d’ondes des télécommunications. Elle repose sur le mariage entre les composants à fibre optique standards à 1550 nm et de l'optique intégrée sur niobate de lithium (LiNbO3), permettant d'obtenir un montage compact, facilement reconfigurable sans qu'aucun alignement ne soit nécessaire (plug-and-play). Grâce à cette approche, nous avons pu mesurer jusqu’à -2 dB de compression pour une puissance de pompe continue de 40 mW, ouvrant ainsi la voie vers la réalisation de systèmes compacts de variables continues en dehors du cadre des laboratoires.Afin de mieux comprendre les limites de notre système expérimental, nous nous sommes également intéressés aux propriétés photoréfractives du niobate de lithium, c'est-à-dire à la variation de son indice optique en fonction de l'intensité lumineuse qui le traverse. En régime de variables continues, là où les puissances optiques peuvent être relativement élevées, ces effets peuvent durablement affecter le fonctionnement des circuits photoniques intégrés sur LiNbO3. Pour cette raison, une étude précise de la photoréfraction a également été accomplie afin d’optimiser la génération et la détection de la lumière comprimée sur puce LiNbO3
Recent progress in quantum physics predicts a future revolution in the fields of communication, sensing, computing and simulation which rely on our hability to generate and control quantum states such as entanglement. Discovered more than thirty years ago, squeezed light has rapidly became an important tool for the implementation of quantum technologies, but its use still suffers from a lack of compactness wich limits the growth of quantum photonics realisations. To tackle this issue, we developpe a compact photonic platform to generate and detect squeezed light at telecom wavelengths. It is build upon an association between off the shelf telecom components and integrated optics on lithium niobate (LiNbO3) allowing a compact, and easy reconfigurable setup, without any alignment (plug-and-play). With this original aprroach, we directly measure up to -2dB shot noise reduction for a CW pump power of 40 mW, opening the way to out-of-the lab continuous variable experimentations.In order to fully understand the limits of our experimental setup, we also investigate the photorefractive properties of the LiNbO3, which means his intensity dependant refractive index. This effect could be a great issue in CV experiments, where high pump powers near visible wavelengths are needed. For this reason, we also study precisely the photorefraction in order to optimise the generation and the detection of squeezed light in integrated lithium niobate photonics circuits

Les polaritons excitoniques sont des quasi-particules qui ont révélé ces dernières années de très riches propriétés. Elles sont le fruit d'un couplage fort entre les transitions excitoniques présentes dans les semiconducteurs et un champ électromagnétique confiné au sein d'une microcavité. Dans cette thèse, nous avons réalisé l'étude théorique de deux aspects des polaritons. Ces résultats théoriques ont été corroboré par des résultats expérimentaux. Dans un premier temps, c'est un aspect proche de l'optique quantique qui est présenté et qui consiste en l'étude du régime d'oscillation paramétrique optique dans des microcavités de type pilier. Cette étude a permis, en plus de la démonstration de la présence de ce régime d'oscillation, de mettre en évidence l'importance de la dimensionnalité de la cavité. Dans un second temps, c'est l'aspect propriété quantique de la matière qui est présenté, et tout particulièrement l'aspect fluide quantique de polaritons. Ainsi, nous montrons que à l'aide d'excitations résonantes, un régime superfluide peut être atteint. Nous présentons une étude des régimes d'écoulements turbulents d'un tel fluide. Et enfin nous présentons une méthode qui, utilisant les propriétés de spin des polaritons, permet de moduler le potentiel effectif ressenti par les polaritons.

À la surface d’un métal, la lumière visible peut se coupler avec les électrons libres pour engendrer une quasi-particule particulièrement intéressante, le plasmon-polariton de surface. Cet objet a pour propriété d’être évanescent dans les directions perpendiculaires à la surface, ce qui en fait un support idéal pour transporter l’information lumineuse à deux dimensions, et sur des échelles sub-longueur d’onde. S’il est excité par une source quantique, il conserve cet aspect quantique du signal, même si des millions d’électrons sont impliqués dans sa propagation.Dans ce manuscrit, je présente les résultats expérimentaux et théoriques obtenus en plasmonique de surface durant mon doctorat. En associant l’utilisation de centres colorés azote-lacune (NV) dans les nanodiamants, qui sont des émetteurs de photons uniques, et d’un microscope optique en champ proche (SNOM), j’ai pu étudier de nombreuses propriétés du centre NV et des plasmons de surface dans les domaines classique et quantique.Notamment, j’ai réalisé une étude complète de la photo-dynamique interne du centre NV, dans différents régimes d’excitation. De plus, j’ai étudié le mode d’imagerie des plasmons de surface qu’est la microscopie à fuite radiative, en mettant en lumière certaines aberrations optiques pouvant survenir dans des conditions de désaccord d’indices optiques. J’ai ensuite effectué des mesures de corrélations spatio-temporelles de plasmons de surface excités par des centres NV, grâce à un système expérimental spécifique que j’ai mis en œuvre.Enfin, je décris dans ce manuscrit les toutes premières études de l’interaction des plasmons avec différentes cavités elliptiques et paraboliques gravées dans le métal, qui ont mené notamment à des mesures de densité locales d’états (LDOS) plasmonique
On a metal surface, visible light can couple with surface free electrons to form a very interesting quasi-particle, the surface plasmon-polariton. The main property of this object is to be evanescent in the directions perpendicular to the surface. This feature makes the plasmon ideally suited to transport electromagnetic information in two dimensions and on a sub-wavelength scale. If it is excited by a quantum source, it retains this quantum aspect of the signal, even if millions of electrons are involved in its propagation.In this manuscript, I present the experimental and theoretical results obtained during my PhD in surface plasmonics. By combining the use of nitrogen vacancy (NV) color centers in nanodiamonds, which are single photon emitters, and of a scanning near field optical microscope (SNOM), I was able to study numerous properties of the NV center and surface plasmons, both in the classical and quantum regimes.In particular, I have performed a complete study of the internal photo-dynamics of the NV center in different excitation regimes. Moreover, I have studied the leakage radiation microscopy, a dedicated imaging mode in plasmonics , by highlighting some optical aberrations that can arise in conditions of optical index mismatch. Furthermore, I have ran spatio-temporal correlation measurements on surface plasmons excited by NV centers with a specific experimental system I implemented.Finally, I describe in the manuscript the very first studies of the interaction between plasmons and different elliptical and parabolic cavities milled in the metal. This has led to the measurements of the plasmonic local density of states

Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur de niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaire de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font parties des meilleures sources actuelles aussi bien en terme de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré. Pour cette réalisation, nous avons mergé au sein d'un même composant, pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlablé des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité de 79% en accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car il permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.

Les Lasers à Cascade Quantique (QCL) sont de "nouvelles" sources THz dont les progrès en termes de puissance, température de fonctionnement et qualité de faisceau sont remarquables. Les QCL sont utilisés dans des dispositifs d'imagerie THz continue pour le Contrôle Non Destructif de matériaux. Une première application de CND sur des matériaux composites permet de mettre en évidence de manière qualitative les défauts d'imprégnation des fibres par la résine ou les dommages causés par un impact. Des images à 3,8 THz, en transmission et ré flexion, ont pu être comparées avec une technique de CND par ultrasons. Une seconde application quantitative porte sur la concentration d'eau dans deux matériaux polymères à tendance hydrophobe : le polystyrène et le polypropylène. L'établissement d'une relation entre la transmittance de l'échantillon et sa prise de masse d'eau permet d'établir une cartographie quantifiée de la concentration d'eau. Ces cartographies sont nécessaires à la connaissance du processus de diffusion de l'eau dans les matériaux polymères
Quantum Cascade Lasers (QCL) are "new" THz sources that have enjoyed remarkable progress in terms of power, operating temperature and beam quality. QCLs are used in continuous wave THz imaging setups applied to Non Destructive Testing of materials. A first qualitative application of NDT allows us to highlight defects in the fibers impregnation by resin or damages caused by an impact on composite materials. Transmission and reflection images at 3.8 THz are compared with a NDT ultrasonic technique. A second quantitative application relates to the water concentration in two hydrophobic polymeric materials: polystyrene and polypropylene. Establishing a relationship between the transmittance of the sample and mass water content enables us to draw up a quantified mapping of the latter. These maps are necessary for the understanding of the water diffusion process in polymeric materials

Le travail de cette thèse a été essentiellement consacré à une étude théorique et expérimentale dans le proche infrarouge de nanostructures à cristal photonique constituées par un réseau périodique bidimensionnel de trous d’air dans laquelle est intégrée une source interne réalisée dans la filière silicium. Nous avons pu montrer expérimentalement qu’il était possible de sonder à température ambiante la position spectrale et le profil d’émission des modes de cavité dans la gamme proche infrarouge grâce à la luminescence interne des îlots auto-assemblés Ge/Si. Les analyses effectuées sur les différents mécanismes de pertes ont permis d’identifier la ou les sources de perte dominantes existant dans les cavités à cristal photonique 2D sur silicium et ainsi d’effectuer une ingénierie modale pour obtenir un meilleur confinement optique. En particulier, nous avons montré par micro-photoluminescence qu’il était possible de réaliser des modes de défaut avec un facteur de qualité élevé dans des cavités 2D à cristaux photoniques avec boîtes quantiques GeSi/Si intégrées sur silicium. Parallèlement, nous avons pu mettre en évidence une autre possibilité de contrôler le facteur de qualité pour des modes optiques se situant au centre de la zone de Brillouin par une approche combinant cristal photonique 2D et miroir de Bragg 1D toujours dans la filière silicium. Outre les résultats obtenus sur des mailles carrées, plusieurs voies d’optimisation ont été proposées. L’ensemble des résultats expérimentaux a pu être quantitativement interprété grâce à des simulations numériques de différents types dont principalement la méthode FDTD et la méthode des ondes planes
The work of this thesis was primarily devoted to theoretical and experimental studies in the near infrared of photonic crystal nanostructures. These nanostructures are constituted by a two-dimensional periodic lattice of air holes in a silicon matrix in which an internal source is integrated. We have shown experimentally that it was possible to probe at room temperature the spectral position and the profile of emission of the defect modes of cavity in the near infrared range thanks to the internal luminescence of GeSi/Si self-assembled quantum dots. The analysis of the various loss mechanisms is used to identify the dominant sources of loss existing in the cavities with 2D photonic crystal on silicon and thus to allow carrying out a modal engineering for a better optical confinement. In particular, we have shown by micro-photoluminescence that it was possible to obtain some defect modes with a high quality factor in 2D photonic crystal cavities with embedded GeSi/Si quantum dots on silicon. In parallel, we have demonstrated another possibility of controlling the quality factor for optical modes, which are located at the center of the Brillouin zone, by an approach combining 2D photonic crystal and 1D Bragg mirror. The control of the photon life time is obtained by the adjustment of thicknesses of the superior layers and the choice of the elementary lattice of the 2D photonic crystal. In addition to the results obtained on a square lattice, several ways of optimization were proposed. The experimental results have been quantitatively interpreted thanks to numeric simulations of different types, principally the FDTD method and the plane waves method

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

Deux exemples de tunnels optiques sont étudiés par des méthodes de l'optique femtoseconde pour leurs propriétés propagatives. Le premier est une opale artificielle : un matériau de la famille des cristaux photoniques aux propriétés analogues dans le domaine optique à celles des semiconducteurs. Ils possèdent une bande interdite photonique (BIP) empêchant pour toutes les directions la propagation de photons dont l'énergie se trouve dans cette bande. Le second système est un bi-prisme en réflexion totale.
La première partie est consacrée aux opales : empilements réguliers de sphères de silice submicrométriques. Chaque phase de l'élaboration est en revue. Une description théorique des propriétés des cristaux photoniques est faite pour plusieurs structures. On en déduit que les opales n'ont pas de BIP mais une "stop-band" inhibant la transmission des photons dont la bande d'énergies dépend de la direction. Les caractéristiques structurelles, mises en relation avec les propriétés spectrales, sont abordées par des méthodes microscopiques et optiques. Un dispositif de temps de vol a été réalisé pour déterminer les propriétés propagatives d'opales sondées par un continuum en utilisant un fenêtrage temporel par absorption à deux photons dans du ZnS. Après des corrections en fréquence et en temps, on dispose du profil spectral de vitesse de groupe. Celui-ci est expliqué par un modèle basé sur la relation de Kramers-Krönig. Cela permet de décrire la "stop-band" comme un système à "deux niveaux photoniques".
La dernière partie est dédiée à l'étude de la transposition en optique d'un nouvel effet prédit dans les conditions de l'effet tunnel : "l'évaporation quantique". Il se manifeste par l'augmentation drastique de la transmission d'un paquet d'onde. Il se produit en transférant à l'instant de la réflexion une petite quantité de mouvement au paquet d'onde. Un bi-prisme en réflexion totale séparé par une lame d'air est employé pour reproduire les conditions de cet effet. On utilise une technique pompe-sonde qui simule le transfert de moment par effet Kerr. Après analyse des effets en compétition avec l'évaporation quantique, nous observons des signaux qui, une fois traités selon des critères précis, ont les caractéristiques de l'effet recherché. Ceci constitue une présomption de la première observation en optique de ce nouvel effet.

L'étude du comportement électromagnétique des détecteurs infrarouge à puits quantiques (QWIPs et QCDs) est longtemps resté insuffisant, le développement de ces détecteurs depuis une dizaine d'années s'étant surtout orienté sur l'optimisation du transport dans la couche active. Ce n'est que très récemment qu'un formalisme adéquat au traitement du champ proche a été mis en œuvre pour modéliser ces réseaux. L'étude du réseau de couplage sur ces structures peut désormais bénéficier des travaux de recherche récents sur la plasmonique et les métamatériaux. L'enjeu de ces recherches est de dépasser la simple fonction de couplage et d'imaginer des structures optiques assurant des fonctions supplémentaires. Nous démontrons notamment la possibilité de discriminer la polarisation de l'émission corps noir avec un réseau unidimensionnel. En se basant sur les propriétés de dispersion des interfaces métal/diélectrique structurées, présentant une bande interdite photonique, nous avons réussi à concentrer l'intégralité du signal incident dans une distance inférieure au quart de la longueur d'onde. Nous proposons d'utiliser cette structure sur des pixels implantés pour augmenter le rapport signal à bruit. Nous proposons trois solutions technologiques de contact supérieur permettant de remplir aux mieux son double rôle : électrique et optique. Nous nous intéressons également à la modification du photocourant due à la présence d'impuretés dans les puits. Ces travaux devraient permettre à la fois une optimisation plus efficace du couplage électromagnétique ainsi qu'à plus long terme, la mise en œuvre de nouvelles fonctionnalités optiques intégrées au pixel.

Cette thèse a pour ambition de préparer des états de la lumière dotés de caractéristiques nouvelles et désirables en utilisant les propriétés des peignes de fréquences appliquées à l'optique quantique multimode. Un des avantages de l'optique femtoseconde vient du caractère hautement multimode des peignes de fréquence, qui permet notamment de créer du vide comprimé multimode. La répartition des ressources quantiques entre ces différents modes étant d'importance, nous avons étudié une manière de la contrôler grâce à une mise en forme spectrale du faisceau de pompe de l'oscillateur paramétrique optique. Nous montrons qu'une détection homodyne multipixel est un outil d'analyse indispensable. Pour une répartition modale donnée, il est possible de modifier l'état quantique qui la peuple. Une modification désirable est la dégaussification de la fonction de Wigner, que nous implémentons au moyen d'une soustraction de photon. Outre la possibilité de dégaussifier l'état dans un mode, notre dispositif permet également de soustraire un photon dans une superposition cohérente de supermodes, ce qui est nouveau. De plus, nous pouvons choisir librement le mode dans lequel la soustraction a lieu. Cette versatilité permet de créer de nouveaux types d'états, par exemple lorsque l'on soustrait dans les nœuds d'un canevas quantique (aussi appelé état cluster). En particulier, nous pouvons créer des états présentant de l'intrication inhérente entre les modes, c'est-à-dire une intrication qui ne peut pas être défaite par changement de base
This thesis' purpose is to prepare multimode quantum states with new properties, taking advantage of the frequency combs' capabilities applied to quantum optics. One of those capabilities is their highly multimode nature, which makes us able to generate multimode states, such as the multimode squeezed vacuum generated in our lab with an frequency-comb-pumped OPO. In order to control the way the squeezed vacua spread over the modes of the comb, we performed the spectral pulse shaping of the pump beam. We show that multimode homodyne detection is an essential analysis tool and pave the way for its implementation. With a set of given modes, it is also possible to alter the quantum state itself. Specifically, the Wigner function can be made non-gaussian by a photon subtraction. We applied the multimode photon subtraction and we generated for the first time a multimode photon-subtracted squeezed vacuum with more than 2 modes. We report negativity of the Wigner function. Our photon subtraction scheme is mode selective, which allowed us to subtract in a coherent superposition of modes. We applied it on cluster states (highly entangled multimode states), creating states than exhibit inherent entanglement : entanglement that can not be unknotted by a linear transformation such as a change of basis