Cette these est consacree a l'etude des proprietes non-lineaires, de coherence et a la realisation de dispositifs opto-electroniques dans les boites quantiques auto-assemblees de semiconducteurs. Les etudes ont ete realisees sur deux types de structures : les boites quantiques inas/gaas et les boites quantiques ge/si. Nous avons etudie en premier les proprietes optiques non-lineaires des boites quantiques inas/gaas. Les transitions intra-bandes ont ete utilisees pour generer un signal de second harmonique, a la fois en bande de conduction (boites dopees n) et en bande de valence (boites dopees p). Dans les deux cas, le doublement de frequence peut etre obtenu dans des conditions de double resonance. Des susceptibilites elevees ont ainsi pu etre mesurees soit, pour un plan de boites, ( 2 ) z x x = 2 10 - 7 mv - 1 dans le cas des boites dopees p et ( 2 ) z x x = 2,5 10 - 6 mv - 1 pour les boites dopees n. La valeur elevee de la susceptibilite s'explique par les valeurs elevees a la fois des dipoles et des temps de coherence associes aux transitions intra-bandes dans les boites. Notons que les susceptibilites les plus elevees presentent un tenseur du type ( 2 ) z x x. Par la suite, les boites ont fait l'objet d'une etude de spectroscopie resolue en temps. Nous avons pour la premiere fois observe le phenomene d'echo de photons en resonance avec une transition intra-bande polarisee dans les plan des couches. A basse temperature, le temps de coherence de cette transition est egal a 20 ps. L'etude des boites quantiques ge/si a egalement constitue une partie importante de ce travail. La caracterisation optique de ces ilots a d'abord ete effectuee par des experiences de photoluminescence. Par la suite, nous avons etudie les proprietes spectroscopiques des boites dans la gamme du moyen-infrarouge. Ces dernieres mesures ont permis d'etablir un diagramme d'energie experimental des niveaux confines au sein des boites ge/si. Une autre partie importante de ce travail est consacree a la realisation et a la caracterisation de dispositifs opto-electroniques. Nous avons realise une diode electro-luminescente dont la partie active est composee de cinq plans de boites ge/si. Cette hetero-jonction est capable d'emettre un signal dans la gamme des longueurs d'onde des telecommunications ( 1,5 m) jusqu'a temperature ambiante. Enfin, nous avons realise deux types de photo-detecteurs a boites quantiques (qdips) fonctionnant dans la gamme du moyen-infrarouge. La region active du premier type de detecteur est composee de boites quantiques ge/si. Le second type de photo-detecteur possede une zone active constituee de boites inas/gaas. Dans les deux cas, nous avons etabli une comparaison directe entre l'absorption intra-bande des boites et les mecanismes participant au photo-courant. En particulier, les proprietes d'absorption des boites dans le plan des couches permettent a ces photo-detecteurs de fonctionner sous incidence normale.
Cette these est consacree a l'etude des proprietes non-lineaires, de coherence et a la realisation de dispositifs opto-electroniques dans les boites quantiques auto-assemblees de semiconducteurs. Les etudes ont ete realisees sur deux types de structures : les boites quantiques inas/gaas et les boites quantiques ge/si. Nous avons etudie en premier les proprietes optiques non-lineaires des boites quantiques inas/gaas. Les transitions intra-bandes ont ete utilisees pour generer un signal de second harmonique, a la fois en bande de conduction (boites dopees n) et en bande de valence (boites dopees p). Dans les deux cas, le doublement de frequence peut etre obtenu dans des conditions de double resonance. Des susceptibilites elevees ont ainsi pu etre mesurees soit, pour un plan de boites, ( 2 ) z x x = 2 10 - 7 mv - 1 dans le cas des boites dopees p et ( 2 ) z x x = 2,5 10 - 6 mv - 1 pour les boites dopees n. La valeur elevee de la susceptibilite s'explique par les valeurs elevees a la fois des dipoles et des temps de coherence associes aux transitions intra-bandes dans les boites. Notons que les susceptibilites les plus elevees presentent un tenseur du type ( 2 ) z x x. Par la suite, les boites ont fait l'objet d'une etude de spectroscopie resolue en temps. Nous avons pour la premiere fois observe le phenomene d'echo de photons en resonance avec une transition intra-bande polarisee dans les plan des couches. A basse temperature, le temps de coherence de cette transition est egal a 20 ps. L'etude des boites quantiques ge/si a egalement constitue une partie importante de ce travail. La caracterisation optique de ces ilots a d'abord ete effectuee par des experiences de photoluminescence. Par la suite, nous avons etudie les proprietes spectroscopiques des boites dans la gamme du moyen-infrarouge. Ces dernieres mesures ont permis d'etablir un diagramme d'energie experimental des niveaux confines au sein des boites ge/si. Une autre partie importante de ce travail est consacree a la realisation et a la caracterisation de dispositifs opto-electroniques. Nous avons realise une diode electro-luminescente dont la partie active est composee de cinq plans de boites ge/si. Cette hetero-jonction est capable d'emettre un signal dans la gamme des longueurs d'onde des telecommunications ( 1,5 m) jusqu'a temperature ambiante. Enfin, nous avons realise deux types de photo-detecteurs a boites quantiques (qdips) fonctionnant dans la gamme du moyen-infrarouge. La region active du premier type de detecteur est composee de boites quantiques ge/si. Le second type de photo-detecteur possede une zone active constituee de boites inas/gaas. Dans les deux cas, nous avons etabli une comparaison directe entre l'absorption intra-bande des boites et les mecanismes participant au photo-courant. En particulier, les proprietes d'absorption des boites dans le plan des couches permettent a ces photo-detecteurs de fonctionner sous incidence normale.
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
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
Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d expérience d interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87+-0.04, et une visibilité des interférences de 0.60+-0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704+-0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d injecter des photons à partir d un laser continu indépendant a été développé. L interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76+-0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l électron et le temps de dépolarisation du noyau.
Les développements en information quantique nécessitent le contrôle et la manipulation d'états quantiques. Parmi les systèmes en physique du solide, les boîtes quantiques semiconductrices sont de bons candidats pour réaliser des bits quantiques. La taille nanométrique de ces objets conduit à un confinement spatial à trois dimensions des porteurs : le spectre d'énergie est discret comme celui d'un atome. Ces objets sont étudiés pour leurs propriétés optiques, et notamment pour l'émission de photons uniques et indiscernables, qui sont des états quantiques de la lumière. Le travail de cette thèse consiste à étudier des boîtes quantiques uniques d'InAs/GaAs excitées à la résonance de leur transition optique, à l'aide d'impulsions lumineuses picosecondes. Grâce à une géométrie unidimensionnelle en guide d'onde, il est possible de s'affranchir de la lumière diffusée du laser d'excitation, et d'observer la luminescence résonante des boîtes. On atteint alors le régime d'oscillations de Rabi qui permet d'inscrire dans la boîte une superposition cohérente du système à deux niveaux, c'est un bit quantique. Cependant, le couplage entre la boîte et son environnement modifie les propriétés de cohérence des boîtes quantiques, limitant la possibilité de réaliser des opérations sur les qubits. Deux phénomènes principaux de décohérence ont été modélisés : l'interaction avec les phonons longitudinaux acoustiques de la matrice environnante de la boîte et le couplage avec le mode électromagnétique. Nous avons enfin étudié la statistique d'émission de photons des boîtes quantiques, et nous montrons qu'elles constituent de bonnes sources de photons uniques indiscernables, à la demande.
Les boîtes quantiques (BQ) semi-conductrices possèdent une structure électronique discrète qui en fait une excellente source de photons uniques et indiscernables. Elles sont ainsi devenues un système très attractif pour des futures applications en information quantique, grâce à la possibilité de les intégrer dans des nano-dispositifs permettant un couplage efficace lumière-matière. Cependant, les BQs constituent par nature un système ouvert en interagissant fortement avec l'environnement solide, une des conséquences étant la destruction partielle de la cohérence des photons émis. Dans ce travail, nous avons choisi d'utiliser une BQ comme sonde très sensible de ces interactions. Des expériences d'interférences à deux photons, de type Hong-Ou-Mandel, sous excitation résonante et en fonction de la température, nous ont permis d’étudier l'interaction entre une BQ et les phonons acoustiques de la matrice cristalline environnante. En combinant nos résultats expérimentaux et un modèle théorique microscopique, nous avons identifié deux processus distincts responsables de la perte d’indiscernabilité : le premier dû aux transitions réelles par absorption-émission de phonons, le deuxième à cause de transitions virtuelles, processus du deuxième ordre, dues à la présence d’états excités de plus haute énergie dans la boîte. Nous avons par ailleurs étudié des échantillons dopés permettant d’appliquer un champ électrique sur le plan de BQ, mettant en évidence que le contrôle de l’état de charge d’une BQ permet sont excitation résonante systématique.
L’objectif d'un dispositif de mesure QND est de controler l'action en retour, imposee par la mecanique quantique, qui se produit sur un systeme soumis a une mesure. Il est, en effet, possible de rejeter cette perturbation entierement sur l'observable complementaire de celle mesuree, laissant cette derniere inchangee. Nous presentons ici, de maniere detaillee, un ensemble de criteres quantitatifs permettant d'evaluer les performances d'un dispositif mesurant l'intensite d'un faisceau lumineux. Ces criteres permettent en particulier de separer clairement des domaines classique et quantique de fonctionnement d'un tel dispositif. La premiere experience realisee utilise le couplage par effet Kerr croise de deux faisceaux laser dans un milieu non lineaire. Ce milieu est compose d'un jet atomique de sodium place dans une cavite optique doublement resonnante. Nous avons effectue une analyse theorique complete des proprietes de bruit quantique d'un tel systeme. Nous avons identifie un regime de parametres, base sur des effets de deplacement lumineux, pour lequel il existe un transfert efficace d'information du faisceau incident vers la voie de mesure, sans degradation appreciable du signal. Ces previsions theoriques ont ensuite ete verifiees dans notre experience. Nous presentons egalement une deuxieme experience utilisant la detection puis la reemission de la lumiere par des composants optoelectroniques a semi-conducteur. Nous montrons que lorsque les taux de conversion photon-electron pour les photodiodes et electron-photon pour les diodes electroluminescentes sont proches de l'unite, ce dispositif permet de mesurer puis de recreer les fluctuations quantiques du faisceau incident. La demonstration de principe que nous avons realisee laisse presager des applications possibles dans le domaine des reseaux de telecommunication optique.