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.
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.
Emission de lumière non-classique par des cavités à cristaux photoniques 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.
Lumière lente par interactions non linéaires et cavités à cristaux photoniques Nous présentons la combinaison de la propagation de la lumière lente avec les propriétés de résonance d'une cavité à cristal photonique et par le mode lent d'un guide d'ondes à cristal photonique. Nous démontrons théoriquement et expérimentalement que la lumière lente générée par les oscillations cohérentes des populations (OCP) permet d'avoir une cavité de petite taille et ultra-haute facteur de qualité (Q), quels que soient les enjeux technologiques et de design. La démonstration expérimentale est réalisée dans une cavité L3 dans un cristal photonique (CPh) bidimensionnel avec puits quantiques semi-conducteurs, milieu actif dans lequel l'effet OCP est induit. Nous obtenons une facteur-Q de la cavité de 520000 qui correspond à une amélioration de 138 en comparant avec le facteur-Q initial de la cavité. Nous présentons une approche théorique à la combinaison de la lumière lente obtenue par l'effet OCP et le mode lent dans des guides d'ondes à CPh, ce qui montre que l'indice du groupe total correspond à une multiplication des indices de groupes associés à la lumière lente générée par OCP et aux modes lents des guides d'ondes. Nous avons aussi posé les bases pour la démonstration expérimentale, faisant la conception et de la fabrication des échantillons dans les salles blanches du LPN et abordant la difficulté du couplage et de l'extraction de la lumière dans les guides d'ondes à CPh. Une conception particulière des guides d'ondes sous forme de un super réseau qui permet de coupler la lumière perpendiculairement au plan du CPh à partir de l'espace libre est proposée. Le coupleur vertical a été connu et fabriqué le long du guide et a été expérimentalement caractérisé. L'investigation expérimentale de la combinaison de lumière lente basée sur l'effet OCP dans les guides à CPh est toujours en cours.
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.
Électrodynamique quantique en cavité avec des nanotubes de carbone Les nanotubes de carbone sont largement étudiés pour leurs propriétés mécaniques et électroniques étonnantes. Optiquement, ils sont d'excellents candidats pour les sources à un seul photon à la demande car ils peuvent être excités électriquement et ils peuvent émettre une lumière dégroupée à température ambiante dans les bandes de télécommunications. Cependant, leur efficacité d'émission est faible, les origines de l'émission restent peu claires et la forme spectrale de leur photoluminescence est compliquée.Dans ce travail, nous construisons une configuration originale combinant un microscope confocal et une micro-cavité à base de fibres optiques qui est à la fois spatialement et spectralement réglable. Avec ce dispositif, nous avons observé l'apparition des effets de l'électrodynamique quantique en cavité en analysant l'évolution du couplage dipôle-cavité en fonction du volume de la cavité. Nous avons obtenu une forte accélération du taux d'émission spontanée, grâce à des facteurs Purcell supérieurs à 100. L'efficacité effective associée de la source atteint jusqu'à 50%, conduisant à une luminosité jusqu'à 10%, tout en conservant d'excellentes caractéristiques de dégroupement.Nous observons l'effet du couplage de la cavité en fonction du désaccord de la cavité et développons un modèle pour tenir compte des émetteurs soumis au couplage exciton-phonon en présence d'une cavité. Nous montrons que notre source de photons uniques est accordable sur une gamme de fréquences plus de cent fois supérieure à la largeur spectrale de la cavité, ouvrant ainsi la voie à un multiplexage étendu.Un renforcement supplémentaire du couplage peut ouvrir la voie à la très riche physique des polaritons de cavité unidimensionnels. Inversement, les polaritons de cavité pourraient être un outil pour mieux comprendre la diffusion et les propriétés de localisation des excitons dans les nanotubes de carbone. Enfin, la configuration initiale ici est extrêmement polyvalente et pourrait être utilisée pour coupler d'autres types d'émetteurs, comme les nano-diamants ou les molécules.
La propagation de lumière dans un réseau de guides s'effectue par couplages successifs et diffère ainsi fortement de la propagation en milieu libre. De plus, il existe, entre le formalisme du couplage optique décrivant cette propagation, de grandes similarités avec l'équation de Schrödinger. Nous utilisons ces similarités pour réaliser, dans des structures optiques composées de guides d'ondes, des analogies à des phénomènes quantiques. Les guides d'ondes sont analogues à des niveaux discrets d'énergie tandis que les constantes de couplage entre les guides sont analogues aux fréquences de Rabi des pulses laser couplant ces niveaux d'énergie. Pour la démonstration de ces analogies riches d'enseignement et potentiellement attractives pour des applications, il est intéressant de pouvoir disposer de structures optiques polyvalentes pouvant être reconfigurées. Notre approche est basée sur la réalisation de ces structures par la technique d'illumination latérale développée au laboratoire. Contrairement à la majorité des techniques d'inscriptions classiques (CVD, échange d'ions, inscription par laser femtoseconde, etc.) qui conduisent à des structures fixes et très difficilement modifiables, cette technique donne des structures reconfigurables. Elle consiste en l'éclairement contrôlé d'un cristal photoréfractif soumis à un champ électrique, permettant d'inscrire des guides grâce à la photo-conductivité du matériau et à l'effet Pockels. Dès lors, nous montrons qu'il est possible de réaliser au sein du même cristal, différentes structures de réseaux de guides, de design, périodicités et contrastes d'indice différents. Nous mettons ensuite à profit ces différents résultats pour la démonstration d'analogies à des effets quantiques. En premier lieu nous démontrons un transfert adiabatique de lumière similaire au phénomène de STIRAP ("STImulated Raman Adiabatic Passage"). La lumière, couplée à l'entrée dans un guide, est transférée à un guide de sortie éloigné, à travers plusieurs guides intermédiaires (jusqu'à neuf) si les constantes de couplage sont modulées longitudinalement dans un ordre dit "contre-intuitif". Nous utilisons ensuite ce transfert adiabatique de lumière pour la réalisation d'un diviseur de faisceau multi-ports, dont les ratios d'intensité dans les ports de sorties sont déterminés par le rapport des constantes de couplage de la structure. Nous démontrons également que ce diviseur de faisceau est très robuste et très largement achromatique sur plus de 200 nm. Puis, nous réalisons une analogie au phénomène d'EIT ("Electromagnetically Induced Transparency") dans une structure optique composée de trois guides. La présence d'un troisième guide très proche du deuxième empêche tout transfert de lumière depuis le premier guide qui devient alors "transparent". Enfin, en créant un désaccord dans les constantes de propagation longitudinale des trois guides, le transfert de lumière peut être réactivé pour deux valeurs particulières du désaccord, similairement à l'effet quantique Autler-Townes