On a longtemps considere l'emission spontanee comme une propriete inherente de l'atome. Lorsque l'atome est plonge dans une cavite dont au moins une dimensions est de l'ordre de l'ordre de la transition optique, les proprietes radiatives de l'atome peuvent etre fortement inhibee. Les structures que nous avons utilisees pour le controle de l'emission spontanee sont des microcavites multidielectriques. Ces composants sont rendus actifs par implantation d'ion de terre rare ou par le depot d'une couche mediane de lif a base de centre colore. Ce memoire est consacre a l'etude theorique et experimentale d'ions de terre rare et de centres colores confines dans des microcavites optiques planaires. Un chapitre de presentation introduit les concepts de materiaux a bande interdite photonique et les notions d'interaction atome-cavite. Le chapitre 2 est consacre a la realisation de microcavite luminescente a tres faibles pertes. Les caracteristiques optiques des films multicouches sont etudies dans la premiere partie. Un formalisme matriciel permet de decrire la propagation d'une onde optique dans une structure stratifiees et donne acces aux proprietes passives des microcavites (reflectivite des miroirs, selectivite spectrale). Dans la deuxieme partie, nous nous interessons aux sources luminescentes placees dans le resonateur. Dans le chapitre 3 et 4, nous demontrons experimentalement par des mesures de photoluminescence le controle de l'emission spontanee des ions terre rare et des centres colores dans une microcavite. Cette etude a permis de mettre en evidence l'aptitude de la cavite a concentrer et amplifier le rayonnement dans plusieurs directions, en associant a chaque lobe d'emission une frequence particuliere. L'effet de selection spectrale de l'emission radiative et un raccourcissement du temps de declin ont aussi ete observes. Nous presentons egalement une etude theorique fondee sur la decomposition du champ emis par un dipole oscillant sur les modes electromagnetiques supportes par la microcavite. Cette description permet de quantifier l'energie emise dans les modes de la structure et de souligner l'importance de la puissance piege dans l'empilement.
On a longtemps considere l'emission spontanee comme une propriete inherente de l'atome. Lorsque l'atome est plonge dans une cavite dont au moins une dimensions est de l'ordre de l'ordre de la transition optique, les proprietes radiatives de l'atome peuvent etre fortement inhibee. Les structures que nous avons utilisees pour le controle de l'emission spontanee sont des microcavites multidielectriques. Ces composants sont rendus actifs par implantation d'ion de terre rare ou par le depot d'une couche mediane de lif a base de centre colore. Ce memoire est consacre a l'etude theorique et experimentale d'ions de terre rare et de centres colores confines dans des microcavites optiques planaires. Un chapitre de presentation introduit les concepts de materiaux a bande interdite photonique et les notions d'interaction atome-cavite. Le chapitre 2 est consacre a la realisation de microcavite luminescente a tres faibles pertes. Les caracteristiques optiques des films multicouches sont etudies dans la premiere partie. Un formalisme matriciel permet de decrire la propagation d'une onde optique dans une structure stratifiees et donne acces aux proprietes passives des microcavites (reflectivite des miroirs, selectivite spectrale). Dans la deuxieme partie, nous nous interessons aux sources luminescentes placees dans le resonateur. Dans le chapitre 3 et 4, nous demontrons experimentalement par des mesures de photoluminescence le controle de l'emission spontanee des ions terre rare et des centres colores dans une microcavite. Cette etude a permis de mettre en evidence l'aptitude de la cavite a concentrer et amplifier le rayonnement dans plusieurs directions, en associant a chaque lobe d'emission une frequence particuliere. L'effet de selection spectrale de l'emission radiative et un raccourcissement du temps de declin ont aussi ete observes. Nous presentons egalement une etude theorique fondee sur la decomposition du champ emis par un dipole oscillant sur les modes electromagnetiques supportes par la microcavite. Cette description permet de quantifier l'energie emise dans les modes de la structure et de souligner l'importance de la puissance piege dans l'empilement.
Le controle de l'emission spontanee d'atomes de terres rares confines dans des microcavites multidielectriques a tres faibles pertes est etudie d'un point de vue theorique et d'un point de vue experimental. Nous presentons tout d'abord une theorie modale de l'emission spontanee d'un atome situe dans un guide planaire. Cela repose sur la determination des modes electromagnetiques supportes par la microcavite et sur le calcul du champ total rayonne en couplage faible par l'atome assimile a un dipole oscillant. Cette description confirme la capacite des structures planaires a modifier la repartition de la puissance rayonnee par rapport a l'espace libre. Elle permet d'acceder a la part d'energie emise dans les modes radiatifs et a celle piegee dans l'empilement, revelant ainsi la contribution predominante des modes guides. Dans un second temps nous demontrons la faisabilite de microcavites luminescentes a tres faibles pertes. Les conditions de pompage des atomes ayant ete optimisees, nous mettons en evidence les proprietes d'emission d'atomes introduits par implantation ionique dans ces structures resonantes. La construction du diagramme de rayonnement donne acces a la puissance radiative, et des empilements perot-fabry mettent en avant des proprietes de directivite et d'amplification par rapport a l'espace libre. Parallelement, la contribution des modes guides est mesuree grace a un prisme de decouplage, permettant alors de comparer les puissances radiative et guidee. Un tres bon accord avec les predictions de la theorie modale est obtenu tant pour la repartition spatiale que spectrale de l'energie rayonnee. Dans un dernier temps nous presentons une etude prospective sur la realisation par photolithographie de microcavites luminescentes a confinement lateral.
Les oxydes cristallins dopés aux terres rares (TR) et les centres colorés (NV-) dans le diamant sont des interfaces lumière-matière prometteuses pour les applications dans les technologies quantiques. En effet, ils présentent des propriétés exceptionnelles respectivement pour les transitions optiques et de spin, dont la combinaison au sein d'une structure hybride de haute qualité pourrait apporter des fonctionnalités innovantes. Cette thèse étudie un système à base de couches minces dans lequel les ions TR dans les oxydes et les centres NV- dans le diamant peuvent interagir en raison de leur proximité, tout en préservant leurs propriétés uniques. Pour ce faire, nous proposons la synthèse d'Y2O3 par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur des diamants dopés à l'azote. L'optimisation du dépôt nous permet d'obtenir des couches minces d'oxyde bien cristallisées et hautement texturées. Une étude spectroscopique approfondie des transitions télécom de l'Er3+ à température cryogénique révèle en outre que les déclins de photoluminescence sont proches de ceux mesurés dans les cristaux massifs. Il est intéressant de noter que le dépôt n'a pas d'effets négatifs sur les propriétés optiques et de spin des centres NV-, ce qui valide notre approche et cette combinaison de matériaux. Dans un deuxième temps, des films d'oxyde ultra-minces (~15 nm) sont étudiés, puisque les interactions RE-NV- devraient se produire sur une distance de quelques nm. Ce travail met en évidence l'importance d'un état de surface du diamant approprié pour obtenir des films bien cristallisés. Enfin, la structure et les propriétés optiques de films de Y2O3 dopés au Tb3+ sont décrites. Notre technique de dépôt nous permet de limiter les effets d'extinction de la luminescence liées à la concentration tout en obtenant des films à gros grains et à forte luminescence. Ces résultats prometteurs constituent les premiers pas vers le développement de couches minces Y2O3 dopés RE déposées sur des diamants dopés avec des centres NV-, ouvrant ainsi des perspectives dans la production d'une plateforme hybride innovante avec de nouvelles fonctionnalités pour la détection et les communications quantiques.
Les oxydes cristallins dopés aux terres rares (TR) et les centres colorés (NV-) dans le diamant sont des interfaces lumière-matière prometteuses pour les applications dans les technologies quantiques. En effet, ils présentent des propriétés exceptionnelles respectivement pour les transitions optiques et de spin, dont la combinaison au sein d'une structure hybride de haute qualité pourrait apporter des fonctionnalités innovantes. Cette thèse étudie un système à base de couches minces dans lequel les ions TR dans les oxydes et les centres NV- dans le diamant peuvent interagir en raison de leur proximité, tout en préservant leurs propriétés uniques. Pour ce faire, nous proposons la synthèse d'Y2O3 par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur des diamants dopés à l'azote. L'optimisation du dépôt nous permet d'obtenir des couches minces d'oxyde bien cristallisées et hautement texturées. Une étude spectroscopique approfondie des transitions télécom de l'Er3+ à température cryogénique révèle en outre que les déclins de photoluminescence sont proches de ceux mesurés dans les cristaux massifs. Il est intéressant de noter que le dépôt n'a pas d'effets négatifs sur les propriétés optiques et de spin des centres NV-, ce qui valide notre approche et cette combinaison de matériaux. Dans un deuxième temps, des films d'oxyde ultra-minces (~15 nm) sont étudiés, puisque les interactions RE-NV- devraient se produire sur une distance de quelques nm. Ce travail met en évidence l'importance d'un état de surface du diamant approprié pour obtenir des films bien cristallisés. Enfin, la structure et les propriétés optiques de films de Y2O3 dopés au Tb3+ sont décrites. Notre technique de dépôt nous permet de limiter les effets d'extinction de la luminescence liées à la concentration tout en obtenant des films à gros grains et à forte luminescence. Ces résultats prometteurs constituent les premiers pas vers le développement de couches minces Y2O3 dopés RE déposées sur des diamants dopés avec des centres NV-, ouvrant ainsi des perspectives dans la production d'une plateforme hybride innovante avec de nouvelles fonctionnalités pour la détection et les communications quantiques.
Les oxydes cristallins dopés aux terres rares (TR) et les centres colorés (NV-) dans le diamant sont des interfaces lumière-matière prometteuses pour les applications dans les technologies quantiques. En effet, ils présentent des propriétés exceptionnelles respectivement pour les transitions optiques et de spin, dont la combinaison au sein d'une structure hybride de haute qualité pourrait apporter des fonctionnalités innovantes. Cette thèse étudie un système à base de couches minces dans lequel les ions TR dans les oxydes et les centres NV- dans le diamant peuvent interagir en raison de leur proximité, tout en préservant leurs propriétés uniques. Pour ce faire, nous proposons la synthèse d'Y2O3 par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur des diamants dopés à l'azote. L'optimisation du dépôt nous permet d'obtenir des couches minces d'oxyde bien cristallisées et hautement texturées. Une étude spectroscopique approfondie des transitions télécom de l'Er3+ à température cryogénique révèle en outre que les déclins de photoluminescence sont proches de ceux mesurés dans les cristaux massifs. Il est intéressant de noter que le dépôt n'a pas d'effets négatifs sur les propriétés optiques et de spin des centres NV-, ce qui valide notre approche et cette combinaison de matériaux. Dans un deuxième temps, des films d'oxyde ultra-minces (~15 nm) sont étudiés, puisque les interactions RE-NV- devraient se produire sur une distance de quelques nm. Ce travail met en évidence l'importance d'un état de surface du diamant approprié pour obtenir des films bien cristallisés. Enfin, la structure et les propriétés optiques de films de Y2O3 dopés au Tb3+ sont décrites. Notre technique de dépôt nous permet de limiter les effets d'extinction de la luminescence liées à la concentration tout en obtenant des films à gros grains et à forte luminescence. Ces résultats prometteurs constituent les premiers pas vers le développement de couches minces Y2O3 dopés RE déposées sur des diamants dopés avec des centres NV-, ouvrant ainsi des perspectives dans la production d'une plateforme hybride innovante avec de nouvelles fonctionnalités pour la détection et les communications quantiques.
Le travail décrit dans ce manuscrit porte sur l’élaboration d’une interface atome-champ originale pour un émetteur de la matière condensée : un système de demi-cavité composé d’un miroir et d’une lentille à forte ouverture numérique. Ce système permet de contrôler et en particulier d’augmenter le temps de vie d’un dipôle niché au sein d’un cristal situé au point focal de la lentille alors même que la distance entre l’atome et le miroir est très grande devant la longueur d’onde. Utiliser un tel système permet aussi d’obtenir une interaction forte entre un champ résonant fortement focalisé et l’atome. Pour cet objectif, les centres colorés du diamant sont des atomes artificiels de choix car ils présentent des propriétés de photoluminescence exceptionnelles. Une grande partie du travail effectué durant cette thèse a été dédiée à l’élaboration d’une plateforme expérimentale permettant d’étudier les propriétés de photoluminescence dans le domaine visible de systèmes de la matière condensée à température cryogénique afin de trouver les émetteurs adéquats pour réaliser cette interface. Nous avons caractérisé de nouveaux échantillons dans le cadre de collaborations avec des laboratoires spécialisés dans la croissance du diamant, en particulier des nanodiamants contenant des centres SiV- et GeV- aux propriétés optiques prometteuses. La photoluminescence de pointes en diamant nanométriques contenant des centres SiV- a été particulièrement étudiée. Un effet de photochromisme a été observé et nous a permis de mesurer la largeur de raie homogène d’un ensemble de centres SiV- élargi inhomogènement. Cette largeur se rapproche de la limite radiative. Nous donnons une explication de ce phénomène de photochromisme corroborée par différentes mesures. Enfin, des expériences préliminaires ont été réalisées en demi-cavité. Nous montrons comment la modification du temps de vie peut être mesurée en présence d’élargissement inhomogène en utilisant un second interféromètre en aval de la demi-cavité.
Les sources de photons uniques sont la brique élémentaire pour la construction d'un réseau de télécommunication quantique. Elles doivent permettre d'émettre efficacement et sur-demande des photons uniques dans les bandes télécoms à température ambiante, tout en étant facilement intégrables et accordables. Les nanotubes de carbone semi-conducteurs sont des candidats intéressants car l'énergie des photons émis peut être choisie en sélectionnant leur diamètre. Ils ont cependant l'inconvénient de n'émettre des photons uniques qu'à température cryogénique et avec un faible rendement quantique. Ces dernières années, beaucoup d'attention a été portée au greffage covalent de fonctions chimiques à la surface des nanotubes permettant notamment l'émission de photons uniques à température ambiante et dans les bandes télécoms. Dans un premier temps, afin de mieux saisir les mécanismes d'émission de photons de ces nanotubes greffés, des études de photoluminescence à température cryogénique ont été menées par imagerie hyper-spectrale super-résolue, par spectroscopie résolue en excitation et par corrélation d'intensité. Nous avons ainsi vérifié que l'environnement local de l'exciton piégé était responsable des multiples signatures dans l'absorption et l'émission de lumière de ce système. Pour tirer pleinement parti du potentiel de ces émetteurs comme sources quantiques de lumière, nous les avons couplés à une micro-cavité Fabry-Pérot fibrée. Cette géométrie ouverte permet un maximum de souplesse pour obtenir l'accord spatial et spectral à chaque émetteur. Elle permet de plus de comparer les propriétés d'un même nano-émetteur en espace libre et en cavité, pour une étude fine des effets d'électrodynamique quantique en cavité. Cette grande souplesse du dispositif, nous a permis d'observer la reconfiguration de l'émission d'un émetteur isolé par l'effet Purcell grâce des mesures spectroscopique ou des mesures de temps de vie. Ainsi le taux d'émission des photons a pu être augmenté d'un facteur 30. En tirant profit de l'accordabilité de la cavité, nous avons pu vérifier les variations du facteur de Purcell et du couplage lumière-matière en fonction du volume de mode ainsi qu'un effet original d'électrodynamique quantique en cavité : le couplage tripartite exciton/phonons/cavité.