Commutation ultrarapide de microcavités semiconductrices pour des applications à l'optique quantique L’injection tout optique des porteurs de charges libres dans un matériau semi-conducteur peut changer la fréquence de résonance d’une cavité optique pendant quelques picosecondes et permet une modification ultra-rapide de l’interaction lumière-matière. Dans cette thèse, nous étudions la commutation de différents types de cavités basés sur les matériaux GaAs/AlAs et explorons des applications possibles.Quand la longueur d’onde de résonance est changée sur une échelle de temps inférieure à son temps de stockage, lumière stockée subit un décalage vers les hautes fréquences. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement cet effet pour des microcavités planaires à haut facteur de qualité, étant capables de stocker la lumière pendant plusieurs dizaines de picosecondes et observons un décalage important (environ 17 largeurs de raie) de la lumière stockée. Conformément à nos simulations numériques, nous mettons en évidence un comportement adiabatique et une efficacité proche de 100% pour ce procédé de conversion.Étant au sein d’une cavité, des boîtes quantiques (BQ) peuvent servir comme source de lumière interne pour sonder les modes de la cavité et la dynamique de la commutation. Nous utilisons cette approche pour étudier deux types de cavités différents.D’un côté, nous injectons une distribution inhomogène de porteurs de charge libres dans des micropiliers, dont l’intérêt pour des expériences d’optique quantique est bien reconnu. A cause des recouvrements différents entre les distributions des porteurs libres et des intensités des champs, nous observons des comportements de la commutation des modes radicalement différents. Ce comportement est compris quantitativement sur la base des simulations prenant en compte la diffusion et la recombinaison des paires électron-trou.D’un autre côté, nous explorons les propriétés d’un nouveau type de microcavité, des résonateurs en forme d’anneau ovoïde. Nous présentons une caractérisation de leurs propriétés optiques et des expériences de commutation. Ces objets présentent des perspectives prometteuses pour la fabrication des microlasers et pour des expériences d’optique, telles que le contrôle dynamique de l’effet Purcell.
Commutation ultrarapide de microcavités semiconductrices pour des applications à l'optique quantique L’injection tout optique des porteurs de charges libres dans un matériau semi-conducteur peut changer la fréquence de résonance d’une cavité optique pendant quelques picosecondes et permet une modification ultra-rapide de l’interaction lumière-matière. Dans cette thèse, nous étudions la commutation de différents types de cavités basés sur les matériaux GaAs/AlAs et explorons des applications possibles.Quand la longueur d’onde de résonance est changée sur une échelle de temps inférieure à son temps de stockage, lumière stockée subit un décalage vers les hautes fréquences. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement cet effet pour des microcavités planaires à haut facteur de qualité, étant capables de stocker la lumière pendant plusieurs dizaines de picosecondes et observons un décalage important (environ 17 largeurs de raie) de la lumière stockée. Conformément à nos simulations numériques, nous mettons en évidence un comportement adiabatique et une efficacité proche de 100% pour ce procédé de conversion.Étant au sein d’une cavité, des boîtes quantiques (BQ) peuvent servir comme source de lumière interne pour sonder les modes de la cavité et la dynamique de la commutation. Nous utilisons cette approche pour étudier deux types de cavités différents.D’un côté, nous injectons une distribution inhomogène de porteurs de charge libres dans des micropiliers, dont l’intérêt pour des expériences d’optique quantique est bien reconnu. A cause des recouvrements différents entre les distributions des porteurs libres et des intensités des champs, nous observons des comportements de la commutation des modes radicalement différents. Ce comportement est compris quantitativement sur la base des simulations prenant en compte la diffusion et la recombinaison des paires électron-trou.D’un autre côté, nous explorons les propriétés d’un nouveau type de microcavité, des résonateurs en forme d’anneau ovoïde. Nous présentons une caractérisation de leurs propriétés optiques et des expériences de commutation. Ces objets présentent des perspectives prometteuses pour la fabrication des microlasers et pour des expériences d’optique, telles que le contrôle dynamique de l’effet Purcell.
Ce travail est consacré aux microcavités semi-conductrices à puits quantiques. Ces dispositifs permettent d'atteindre le régime de couplage fort entre le mode résonant de la microcavité et les excitons du puits quantique. Le dédoublement des résonances optiques s'interprète en termes de modes mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité. On s'intéresse aux non-linéarités optiques provenant des interactions coulombiennes entre excitons et à leur influence sur les fluctuations quantiques du champ lumineux. Nous montrons qu'en excitation résonante sous incidence normale, les effets non linéaires peuvent être décrits par un mélange à quatre ondes dégénéré de polaritons donnant un terme de type Kerr. Une étude théorique détaillée démontre que l'on peut obtenir une compression de bruit du champ réfléchi par la cavité. Nous avons mené les études expérimentales sur une microcavité refroidie à 4K et excitée par un laser continu quasi-monochromatique. Le bruit est mesuré au moyen d'une détection homodyne. L'ensemble des résultats est en bon accord qualitatif avec le modèle. Nous observons un comportement bistable à haute intensité d'excitation. Nous mettons en évidence la dépendance en phase de l'émission, confirmant l'existence d'un effet non linéaire cohérent, et une réduction du bruit en dessous du bruit thermique provenant de la luminescence quasi-résonante. Enfin nous avons étudié théoriquement une autre configuration où l'angle d'incidence est choisi de façon à optimiser l'efficacité du processus de mélange paramétrique à quatre ondes non dégénéré de polaritons. Le comportement du système est alors analogue à celui d'un oscillateur paramétrique optique non dégénéré. Nous montrons que les intensités des deux faisceaux " signal " et " complémentaire " présentent des corrélations quantiques légèrement au-dessus du seuil d'oscillation paramétrique.
Ce mémoire de thèse a pour sujet l'étude théorique des propriétés non-classiques de la lumière émise par les microcavités semiconductrices dans le régime de couplage fort. Dans ce cadre, nous avons étudié ces structures comme des sources de photons uniques ou de photons jumeaux. Nous avons démontré dans un premier temps l'opportunité de créer une source de lumière de statistique sub-poisonnienne à partir de structures photoniques confinées. Pour des boîtes photoniques suffisamment étroites au sein de microcavités semiconductrices, on atteint un régime non-linéaire tel que l'introduction d'un seul photon suffit à décaler la résonance d'absorption de la structure de plus d'une largeur de raie, engendrant le phénomène de blocage quantique. Nous avons montré qu'en utilisant ce mécanisme de blocage, il est possible de créer une source de photons uniques originale, dont nous avons présenté les caractéristiques. Nous avons présenté les différents aspects de son fonctionnement tant en régime continu qu'en régime pulsé. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de corrélation entre paires signal et complémentaire émises par fluorescence paramétrique dans une configuration d'excitation symétrique dans une microcavité planaire. En utilisant l'algorithme de Monte Carlo quantique, nous avons montré qu'il existe des corrélations quantiques entre ces deux faisceaux. En étudiant l'impact du désordre (qui brise l'invariance par translation) de la cavité sur ces corrélations, nous montrons que celui-ci dégrade le caractère quantique des corrélations lorsque l'intensité de l'excitation est modérée. La dépendance en intensité des corrélations quantiques entre faisceaux a été caractérisée au-dessus et en-dessous du seuil d'instabilité paramétrique, nous permettant d'identifier le régime où le caractère non-classique du système est maximal.
Interactions entre matière et lumière : cristaux artificiels et solides cristallins dans une cavité optique Ce manuscrit est consacré à la caractérisation de structures cristallines pour des applications de technologie quantique. Il est composé de deux parties.Dans un premier projet, nous étudions la transition d'une particule d'un état étendu à un état localisé dans un cristal artificiel quasipériodique, dont le potentiel dépend de la position de la particule. Nous considérons un atome ultrafroid, confiné par un réseau optique et incorporé dans une cavité optique. Le dipôle atomique est en interaction forte avec le champ électrique dans la cavité, ce qui mène à un deuxième potentiel optique pour l'atome. La position de l'atome dans la cavité influence notamment le champ intracavité~: le mouvement de l'atome a donc un effet rétroactif sur le potentiel dans lequel il est confiné. Pour des longueurs d'onde incommensurables, nous montrons que la compétition entre les deux réseaux optiques donne lieu à un potentiel quasipériodique pour l'atome. Nous déterminons les paramètres pour lesquels nous reproduisons le modèle Aubry-André et nous discutons les effets de la rétroaction de la cavité sur la transition de localisation.Le deuxième projet est une proposition pour générer une radiation THz, en utilisant le couplage entre excitons et phonons dans un cristal semi-conducteur. Nous proposons un schéma de conversion de fréquence, basé sur une chaîne d'interactions naturellement présentes dans une cavité semi-conductrice pompée. La partie cruciale du schéma de conversion de fréquence est l'interaction faible entre des excitons et des phonons transverses optiques. Nous la dérivons en commençant avec l'interaction électron-phonon via le potentiel de déformation et en prenant en compte les propriétés de symétrie du cristal. Nous identifions les conditions nécessaires pour générer une radiation THz, nous estimons la puissance de l'émission et nous montrons que l'interaction entre excitons et phonons transverses optiques fournit une susceptibilité non linéaire d'ordre deux.
Dynamique Non-linéaire en Nano-cavités à Cristal Photonique en Semiconducteur III-V L’optique non linéaire traite les modifications des propriétés optiques d'un matériau induites par la propagation de la lumière. Depuis ses débuts, il y a cinquante ans, des nombreuses applications ont été démontrées dans presque tous les domaines de la science. Dans le domaine de la micro et nano-photonique, les phénomènes non linéaires sont à la fois au cœur d’une physique fondamentale fascinante et des applications intéressantes: ils permettent d'adapter et de contrôler le flux de lumière à une échelle spatiale inferieure à la longueur d'onde. En effet, les effets non linéaires peuvent être amplifiés dans des systèmes qui confinent la lumière dans des espaces restreints et avec de faibles pertes optiques. Des bons candidats pour ce confinement sont les nanocavités à cristaux photoniques (CPs), qui ont été largement étudiées ces dernières années. Parmi la grande diversité des processus non linéaires en optique, les phénomènes dynamiques tels que la bistabilité et l'excitabilité font l’objet de nombreuses études. La bistabilité est bien connue pour ces applications potentielles pour les mémoires et les commutateurs optiques et pour les portes logiques. Une réponse excitable typique est celle subjacente dans le déclanchement du potentiel d'action dans les neurones. En optique, l'excitabilité a été observée il y a une quinzaine d’années. Dans ce travail, nous avons étudié les régimes bistables, auto-oscillants et excitables dans des nanocavités semiconductrices III-V à CP. Afin de coupler efficacement la lumière dans les nanocavités, nous avons développé une technique de couplage par onde évanescente en utilisant une microfibre optique étirée. Grâce à cette technique, nous avons démontré pour la première fois l’excitabilité dans une nanocavité à CP. En parallèle, nous avons accompli la première étape vers la dynamique non linéaire dans un réseau de cavités couplées en démontrant le couplage optique linéaire entre nanocavitités adjacentes. Ceci a été réalisé en utilisant de mesures de photoluminescence en champ lointain. Un ensemble de résonateurs non linéaires couplés ouvre la voie à une famille de phénomènes dynamiques non linéaires très riches, basés sur la rupture spontanée de symétrie. Nous avons démontré théoriquement ce phénomène dans deux cavités couplées par onde évanescente. Les premières études expérimentales de ce régime ont été menées, établissant ainsi les bases pour une future démonstration de la rupture spontanée de symétrie dans un réseau de nanocavités non linéaires couplées.
L'électrodynamique quantique en cavité (EDQC) étudie l'interaction matière rayonnement à son niveau le plus fondamental, ie lorque la matière est bien décrite par un système à deux niveaux, et la lumière par un mode unique du champ électromagnétique. Les premiers eets d'EDQC ont été observés dans le début des années 80 pour des systèmes de physique atomique. Avec le développement des techniques de micro et nano-fabrication, l'eet Purcell, puis le couplage fort, ont également pu être observés pour des atomes articiels couplés à des cavités semiconductrices. Ces systèmes présentent les avantages d'être potentiellement intégrables sur un circuit et réalisables à grande échelle. Dans ce contexte, les boîtes quantiques semiconductrices (BQ) sont des candidats particulièrement prometteurs. Cependant, à cause de la présence d'une matrice environnante, source intrinsèque de décohérence, ces systèmes s'écartent du paradigme de la physique atomique. Dans le cas des BQs en particulier, ce couplage peut être important et modier les observations de manière singulière. On se propose ici d'étudier la mesure du facteur de Purcell, qui est un des facteurs de mé- rite de l'EDQC, pour une BQ dans une cavité de type micropilier. Diérentes approches seront présentées et comparées entre elles, qui tiennent compte de la spécicité des BQ, et montrent que l'utilisation d'un modèle plus n est nécessaire pour interpréter les résultats obtenus. En- n, le dernier chapitre est consacré à une application intéressante de ce type de système, qui consiste à utiliser la saturation de la boîte quantique pour réaliser une non-linéarité optique à l'échelle du photon unique.
Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique