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This project is a contribution to the development of high-brightness, mercury-free, 100% recyclable and high-gloss ultraviolet (UV) lamps for disinfection at 270 nm. The performance of AlGaN-based UV LEDs remains limited by carrier injection problems, due to the high activation energy of dopants in this material and the difficulties to implement ohmic contacts. To circumvent these problems, we propose to pump an active region based on AlGaN nanostructures with an electron beam. For investigating the active media for electron-pumped UV lamps for disinfection, two types of heterostructures are considered, namely AlGaN/AlN quantum dots (QDs) embedded in GaN nanowires (NWs) synthesized on Si(111) substrates and AlGaN/AlN QDs grown by the Stranski-Krastanov (SK) method on AlN-on-sapphire templates. These choices were based on the high internal quantum efficiency (IQE) that can be achieved in QDs thanks to the three dimensional confinement of carriers. The growth of all the structures was performed by plasma-assisted molecular beam epitaxy.The first stage of the work involved establishing the feasibility of QDs on NWs for this application. Structural and optical studies demonstrated that the QD dimensions were quite homogeneous along the 400-nm-long superlattice (SL), giving a single emission line tunable in the range from 340 to 258 nm. We demonstrated IQE levels higher than 60% at 340 nm at room temperature, decreasing when reducing the emission wavelength. At 270 nm, the IQE was around 30%. These values were obtained under low injection, but remain stable for pumping densities up to 200 kW/cm2. Under electron beam pumping, channeling effects due to the NW geometry can be compensated by increasing the active region length by 60% in comparison to planar layers. The external quantum efficiency under optical pumping provides promising results (3.42±0.55%).The second stage of the work involved studying AlGaN/AlN SK-QD SLs. It is demonstrated that by modifying the III/V ratio and/or the composition of the QDs, the peak emission wavelength can be tuned from 225 nm to 335 nm while keeping the IQE around 50% in the 250-335 nm range, and higher than 35% in the 225-250 nm range. The IQE of these nanostructures remain stable from low to high injection power densities up to 200 kW/cm2. An average power efficiency of 0.38% is measured for as-grown structures, and that without any treatment to improve the light extraction efficiency or thermal management. These results are very promising for the development of an efficient, environment friendly UV technology for disinfection.; Ce projet est une contribution au développement de lampes ultraviolettes (UV) à haute luminosité, sans mercure, 100 % recyclables et à haute brillance, pour la désinfection à 270 nm. Les performances des LED UV à base d'AlGaN restent limitées par des problèmes d'injection de porteurs, dus à la haute énergie d'activation des dopants dans ce matériau et aux difficultés de mise en œuvre des contacts ohmiques. Pour contourner ces problèmes, nous proposons de pomper une région active à base de nanostructures d'AlGaN avec un faisceau d'électrons. Pour étudier les milieux actifs des lampes UV à pompage électronique pour la désinfection, deux types d'hétérostructures sont considérés, à savoir les boîtes quantiques (BQs) AlGaN/AlN intégrées dans des nanofils (NFs) GaN synthétisés sur des substrats Si(111) et les BQs AlGaN/AlN développées par la méthode Stranski-Krastanov (SK) sur des matrices AlN sur saphir. Ces choix étaient basés sur la haute efficacité quantique interne (IQE) qui peut être atteinte dans les BQ grâce au confinement tridimensionnel des porteurs. La croissance de toutes les structures a été réalisée par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma.La première étape du travail a consisté à établir la faisabilité des BQ dans les NFs pour cette application. Des études structurelles et optiques ont démontré que les dimensions des BQs étaient assez homogènes le long du super-réseau (SR) de 400 nm de long, donnant une seule raie d'émission accordable dans la plage de 340 à 258 nm. Nous avons démontré des niveaux d'IQE supérieurs à 60% à 340 nm à température ambiante, diminuant lors de la réduction de la longueur d'onde d'émission. A 270 nm, l'IQE était d'environ 30 %. Ces valeurs ont été obtenues sous faible injection, mais restent stables pour des densités de pompage jusqu'à 200 kW/cm2. Sous pompage par faisceau d'électrons, les effets de canalisation dus à la géométrie NF peuvent être compensés en augmentant la longueur de la région active de 60 % par rapport aux couches planaires. L'efficacité quantique externe sous pompage optique donne des résultats prometteurs (3,42±0,55%).La deuxième étape du travail a consisté à étudier les SRs de BQs SK AlGaN/AlN. Il est démontré qu'en modifiant le rapport III/V et/ou la composition des BQs, la longueur d'onde d'émission maximale peut être réglée de 225 nm à 335 nm, tout en maintenant l'IQE autour de 50 % dans la gamme 250-335 nm, et plus de 35 % dans la gamme 225-250 nm. L'IQE de ces nanostructures reste stable des densités de puissance d'injection faibles jusqu'à 200 kW/cm2. Un rendement énergétique moyen de 0,38 % est mesuré pour les structures brutes de croissance, et cela sans aucun traitement pour améliorer l'efficacité d'extraction de la lumière ou la gestion thermique. Ces résultats sont très prometteurs pour le développement d'une technologie UV efficace et respectueuse de l'environnement pour la désinfection.

This thesis work focuses on the realization of a single frequency electrically pumped VECSEL (EP-VECSEL) operating in the low noise class A regime and the study of quantum dots (QDs) for the realization of a dual frequency optically pumped VESCEL (OP-VECSEL). These devices emit at 1.5 µm.By integrating electrically pumped quantum wells based (QWs) active region in a short (1 cm) and high finesse cavity, we succeeded in demonstrating for the first time the class A regime with this type of laser. In single frequency regime, the maximum output optical power obtained is 3 mW. This allowed us to measure a low relative intensity noise level (RIN) of - 160 dB/Hz limited by the shot noise over a wide bandwidth ranging from 2 MHz to 20 GHz. The compactness, low power consumption and low noise of this laser are of great interest in fields such as microwave optics or coherent telecommunications. In this study, we also studied a dual-frequency QDs based VECSEL, in order to realize a direct measurement of the Lamb coupling constant C. First measurements enabled to characterize this device in multimode regime. A filtering effect of the longitudinal modes has been observed related to the intracavity diamond heat spreader bonded on the chip. The oscillation of two orthogonal linear polarizations, necessary for the measurement of the coupling constant, has been also obtained experimentally. These measurements made it possible to establish that the gain accessible on the QDs device did not allow for the moment to compensate all the optical losses introduced by intracavity elements of the experimental bench dedicated for the measurement of the coupling constant. This study remains to be finalized to be able to conclude on the interests of QDs for the realization of dual frequency lasers.; Ce travail de thèse porte sur la réalisation d’un VECSEL pompé électriquement (EP-VECSEL) mono-fréquence fonctionnant en régime classe A faible bruit et l’étude des boites quantiques (BQs) pour la réalisation d’un VESCEL pompé optiquement (OP-VECSEL) bi fréquence. Ces dispositifs émettent à 1.5 µm. En intégrant une zone active pompé électriquement à base de puits quantiques (PQs) dans une cavité courte (1 cm) et de grande finesse, nous avons pu démontrer pour la première fois avec ce type de laser le régime classe A. En régime mono fréquence, la puissance optique maximale obtenue est de 3 mW. Cela nous a permis de mesurer un niveau de bruit d’intensité relatif (RIN) faible de - 160 dB/Hz limité par le bruit de grenaille sur une large bande passante allant de 2 MHz à 20 GHz. La compacité, la faible consommation de puissance et le faible bruit de ce laser présentent un intérêt certain dans des domaines tels que l’optique micro-ondes ou les télécommunications cohérentes. Dans le cadre de cette étude, nous avons également étudié un VECSEL bi-fréquence à base de BQs, afin de réaliser une mesure directe de la constante de couplage de Lamb C. Des premières mesures ont permis de caractériser ce dispositif en régime multimode. Un effet de filtrage des modes longitudinaux a été constaté lié au dissipateur de chaleur de diamant intracavité collé sur la puce. L’oscillation de deux polarisations linaires orthogonales, nécessaires à la mesure de la constante de couplage, a également été obtenue expérimentalement. Ces mesures ont permis d’établir que le gain accessible sur le dispositif à BQs ne permettait pas pour l’instant de compenser toutes les pertes optiques introduites par les éléments intracavité du banc expérimental dédié pour la mesure de la constante de couplage. Cette étude reste à finaliser pour pouvoir conclure sur l'intérêt des BQs pour la réalisation des lasers bifréquences.

III-V semiconductors (GaAs, InAs, InP ...) have remarkable intrinsic properties. They exhibit a high electron mobility and, most often, a direct band gap allowing the emission of light in a wide spectral range (from UV to infrared) with a high quantum efficiency. They are thus materials of choice for producing light sources such as light emitting diodes and laser diodes. Their integration on a silicon CMOS platform would open wide perspectives in the field of silicon photonics and optical interconnections.We will report on the realization of As-based heterostructures allowing the fabrication of light sources emitting at around 1.3 μm. However, the hetero-epitaxy of As-based semiconductors on a silicon substrate remains a major challenge mainly due to the difference of lattice parameter and polarity of the materials. That is why, in the context of this work, to minimize the impact of structural defects on the emission properties of III-V materials, we have investigated the growth of InAs/GaAs quantum dots (QDs) on nominal Ge/Si (100) substrates by MOCVD in a 300 mm industrial type reactor. The optimization of the growth parameters leads to a high QD density (~109 cm-2) and a photoluminescence (PL) emission around 1.3 µm. Further PL investigations have been performed to probe the emission quality of these QDs grown on Ge/Si (100) substrates and compare them with QDs grown on GaAs substrates.As an application, we will report on InAs/GaAs QD photodetectors (PDs) grown on GaAs as well as on Ge/Si 300 mm (001) substrate operating around 1.3 µm at 300K. We studied the optical absorption mechanism using photocurrent technique. The comparison between the absorption thresholds and the photoluminescence peaks will also be presented.Keywords: InAs/GaAs quantum dots, III-V materials, MOCVD, silicon., Durant cette thèse nous reporterons la réalisation d'hétérostructures à base d'As permettant la fabrication de sources lumineuses émettant à environ 1.3 μm. Cependant, l'hétéro-épitaxie des semi-conducteurs a base dAs sur un substrat de silicium restent un défi majeur principalement en raison de la différence du paramètre de maille et de la polarité des matériaux. C'est pourquoi, dans le cadre de ce travail, pour minimiser l'impact des défauts structurels sur les propriétés d'émission des matériaux III-V, nous avons étudié la croissance des boîtes quantiques (BQs) InAs / GaAs sur substrat GaAs ainsi que sur substrat Ge / Si nominal (100) dans un réacteur MOCVD de type industriel de 300 mm. L'optimisation de la croissance des paramètres conduit à une densité élevée de BQs (~ 109 cm -2) et une émission de photoluminescence (PL) d'environ 1,3 µm. D'autres Des études de Photoluminescences ont été effectuées pour juger la qualité des émissions de ces BQs épitaxiées sur des substrats Ge / Si (100) et les comparer aux QD épitaxiés sur GaAs substrats. En tant qu'application, nous nous interesserons aux photodétecteurs (PD) a base de BQs InAs / GaAs sur GaAs ainsi que sur des substrats Ge / Si 300 mm (001) fonctionnant autour de 1,3 µm à 300K. Nous étudierons également le mécanisme d'absorption optique utilisant la technique du photocourant. La comparaison entre le les seuils d'absorption et les pics de photoluminescence seront également présentés.Mots clés : Boites quantiques InAs/GaAs, matériaux III-V, silicium, MOCVD

The constant improvement in performance of solid-state single-photon sources have established them as a prime candidate for quantum optics applications, whose require high flux of indistinguishable and pure single photons. Here, we use individual self-assembled quantum dots (QD) coupled to optical pillar cavities which proved their abilities to fulfil these requirements. In this framework, we investigate different development techniques to get a practical and efficient source, while also improving the ease-of-use for non-expert users.The first result is the development and optimisation of a compact and stable confocal microscope to efficiently collect the emitted single photons into a single-mode fibre over days, while making it easy to use. The latter is adapted for both the collection (free-space or fibred) and the excitation schemes of a QD: the resonant fluorescence or the longitudinal-acoustics (LA) phonon assisted excitation. This second excitation regime is based on the interactions between QDs transitions and the phonon bath thanks to a slight energy detuning of the excitation laser. Thus, the laser can be spectrally filtered, and then all the emitted photons are collected. We then report a first lens brightness multiplied by a factor of three, and an emission of single and indistinguishable photons with a high linear-polarisation purity. Finally, to provide a "plug-and-play" single-photon source, we detail the development of a fully fibred system to overcome the need of a large and expensive system based on a low-vibration cryostat and positioners. We then report method to set and fix a single-mode fibre above a pillar. This work is still in progress, but the first results already show the potential of this technique.; L'amélioration constante des performances des sources semi-conductrices de photons uniques en ont fait des composants essentiels pour les applications quantiques nécessitant un flux élevé de photons uniques et indiscernables.Dans ce travail, nous utilisons des boîtes quantiques (BQ) couplées à des micro-piliers optiques ayant déjà prouvées leur capacité à atteindre ces exigences. Dans ce contexte, nous développons différentes techniques pour obtenir une source efficace, tout en améliorant la facilité d'utilisation pour les utilisateurs non experts.Nous détaillons donc le développement et l'optimisation d'un microscope confocal stable et compact pour collecter efficacement les photons uniques dans une fibre monomode pendant plusieurs jours. Ce dernier s'adapte à la fois à différents types de collection (espace libre ou fibré) ainsi qu’à différentes techniques d'excitation de la BQ: excitation sous fluorescence résonante, ou assistée par l'émission de phonons acoustiques longitudinaux (AL). Cette seconde manière d’exciter se base sur les interactions entre les transitions de la BQ et les phonons acoustiques longitudinaux grâce à un laser légèrement désaccordé en énergie. Ainsi, ce dernier est filtré spectralement, et tous les photons uniques émis sont collectés. Nous démontrons alors une brillance multipliée par trois, ainsi qu'une émission, linéairement polarisée, de photons uniques et indiscernables. Enfin, afin de fournir une source de photons uniques "plug-and-play", nous détaillons le développement d'un système complétement fibré afin de s'affranchir de positionneurs et d’un cryostat à faibles vibrations, volumineux et chers. Ainsi, nous proposons une méthode pour placer et fixer une fibre monomode au-dessus d'un pilier. Ce travail est toujours en cours, mais les premiers résultats montrent le potentiel de cette technique.

Colloidal semiconductor nanocrystals, also known as quantum dots (QDs), have exceptional optical properties, such as high absorption cross section and quantum yield. Their emission spectra can be tuned by changing their size, their shape or composition. Recently, our group reported the plasmonic coupling of unique QD emitters embedded in silica coated with a gold nanoshell with a Purcell factor of 6. The resulting emitters showed enhanced photostability and reduced blinking rates.In this thesis, we explore synthesis and optical properties of similar objects containing not one but hundreds of QDs in their core (superparticles).We first synthesize CdSe/CdS/ZnS core/multishell QDs and assemble them into aggregates of controlled sizes by emulsion/evaporation. The aggregates are then coated with a silica shell (Stöber process) and with a gold nanoshell using a deposition process.The optical properties of QD aggregates with and without gold shells are addressed. These objects exhibit high quantum efficiency, as well as stable and Poissonian emission at room temperature. In addition, we demonstrate a Förster-type resonance energy transfer (FRET) between neighboring QDs inside the aggregates. We also prove that polyvinylpyrrolidone (PVP) can be used to regulate both the reduction rate of gold and the morphology of the gold nanoshell.The second objective is to transpose this synthesis onto 2D semiconductor nanocrystals called nanoplatelets (NPLs) which exhibit particular emission polarization properties thanks to their anisotropic shape. To preserve this anisotropy throughout the synthesis process of the gold nanoshells, a supplementary extension step has to be conducted on these NPLs., Les nanocristaux de semi-conducteurs colloïdaux, également appelés quantum dots (QDs), possèdent des propriétés optiques originales, telles qu'une large section efficace d'absorption, un rendement quantique élevé, ainsi que des spectres d'émission accordables en fonction de leur taille, leur forme ou leur composition. Récemment, notre groupe a mis en évidence le couplage plasmonique d'émetteurs de QD unique intégrés dans de la silice recouverte d'une nano-coque en or avec un facteur de Purcell de 6. Les émetteurs résultants ont montré une photostabilité améliorée et des taux de clignotement réduits.Dans cette thèse, nous explorons la synthèse et les propriétés optiques d'objets similaires contenant plusieurs milliers de QDs assemblés sous forme d'agrégat dans le but d’observer un couplage entre un ensemble de nanocristaux de semi-conducteurs et une cavité plasmonique. Nous avons dans un premier temps synthétisé des QDs cœur/multicoques de CdSe/CdS/ZnS que nous avons auto-assemblé sous forme d'agrégats de tailles contrôlées par une méthode d'émulsion/évaporation. Les agrégats de QDs sont recouverts d'une coque de silice grâce à la méthode Stöber puis par une coque d’or via un processus de dépôt en solution.Nous avons étudié les propriétés optiques des agrégats de QDs avec et sans coques d'or. Ces objets hybrides présentent une efficacité quantique élevée, une émission stable et poissonienne à température ambiante. Nous avons mis en évidence un transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) entre les QDs voisins au sein d’un même agrégat. Nous avons également constaté que le polyvinylpyrrolidone (PVP) peut être utilisé pour régler le taux de réduction de l'or ainsi que la morphologie de la coque en or.Le second objectif est de transposer cette synthèse sur des des nanocristaux de semi-conducteur 2D, les nanoplaquettes (NPLs) uniques qui présentent des propriétés particulières de polarisation d’émission grâce à leur anisotropie de forme. Nous devons veiller à conserver cette anisotropie tout au long du processus de synthèse de la coque d’or et pour cela nous avons dû étendre latéralement ces NPLs.

Two-dimensional (2D) materials have attracted great research interest since thebreakthrough of graphene, revealing exceptional mechanical, electrical and optical properties. The 2D material graphene has demonstrated excellent electrical properties. However, the absence of a bandgap is an obstacle for its interaction with light and therefore limits applications in optics. In this aspect, atomically thin of transition metal dichalcogenides (TMDs) semiconductors appear to be a promising platform for optoelectronics, as they possess a direct bandgap at the K-points of the Brillouin zone in the visible range. Despite being only three atoms thick, these semiconductors show exceptionally large light absorption, efficient light emission, and strong light matter interaction as summarized in Chapter 3. Their light matter interaction is governed by Coulomb bound electron-hole pairs (excitons).In addition to the impact of optical quality on several parameters, in Chapter4 we highlight a key issue for efficient energy relaxation channels which directly influence the exciton formation process, namely the exciton-phonon interaction in MoSe2 monolayers both in absorption and emission. This experimental observation was possible due to the narrow exciton linewidth which was masked by mainly inhomogeneous broadening in earlier investigated samples.Another striking feature of 2D materials is their unique ability to be combinedin stacks. The weak van der Waals force between adjoining layers in vertical homo- or heterolayers results in strong with electrical coupling between layers. The light-matter interaction is strongly modified when going from mono- to multilayers. The modified electronic bandstructure in multilayer TMDs especially in bilayers enable completely new excitonic properties and phenomena, which do not exist in the monolayer. Homobilayers host new type of excitons named ’interlayer excitons’ (IEs) where electrons are localized in a single layer while holes are delocalized over both layers. The main features of homobilayer such as MoS2 are : strong absorption of IEs which have an in-built static electric dipole.In Chapter 5 we show in homo-multilayer systems that IE transitions with strongabsorption are visible up to room temperature. Chapter 6 is devoted to gated multilayer MoS2. There we measure a giant IE Stark splitting and a widely tunable energy shift in applied electric fields due to the in-built static electric dipole. We show strong coupling between intra- and interlayer excitons when they are energetically tuned into resonance. In trilayer MoS2, we uncover two distinct types of IEs in magneto-optics with very different in-built static electric dipoles.In this thesis, we show the impact of the local dielectric environment on the optical transitions and how we can largely suppress the dielectric disorder in chemical vapor deposition (CVD)-grown MoS2 monolayers by hexagonal boron nitride encapsulation in Chapter 7. The considerably improved optical sample quality allows us to observe interlayer excitons and interlayer coupling in CVD-grown multilayers.We determine a correlation between the stacking order and interlayer couplingin artificially stacked and as-grown CVD layers shown in Chapter 8. We show thathole delocalization over the bilayer is only allowed in 2H stacking and results in strong interlayer exciton absorption and also in a modified valence band spin splitting as compared to 3R bilayers.; Les matériaux bidimensionnels (2D) ont suscité un grand intérêt pour la recherche depuis la percée du graphène, révélant des propriétés mécaniques, électriques et optiques exceptionnelles. Le graphène a des propriétés remarquables. Cependant, l’absence de bande interdite est un obstacle à son interaction avec la lumiére et limite donc les applications en optique. Dans ce contexte, les semi-conducteurs TMD atomiquement minces semblent être une plate-forme prometteuse pour l’optoélectronique, car ils possèdent une bande interdite directe aux points K de la zone Brillouin dans le domaine du visible. Bien qu’ils n’aient que trois atomes d’épaisseur, ces semi-conducteurs présentent une forte interaction lumière-matière comme résumé au chapitre 3. Leur interaction lumière-matière est régie par des paires électron-trou (excitons) liées par attraction de Coulomb.En plus de l’impact de la qualité optique sur plusieurs paramètres, dans lechapitre 4, nous soulignons un problème clé pour des canaux de relaxation d’énergie efficaces qui influencent directement le processus de formation des excitons, à savoir l’interaction exciton-phonon dans les monocouches MoSe2 à la fois en absorption et en émission. Cette observation expérimentale a été possible en raison de la largeur de raie d’exciton étroite qui a été masquée par un élargissement principalement inhomogène dans les échantillons étudiés précédemment.Une autre caractéristique frappante des matériaux 2D est leur capacité unique àêtre combinés en piles. La force de van der Waals entre les couches adjacentes dans les couches homo- ou hétérogènes verticales se traduit par un couplage électrique fort entre les couches. L’interaction lumière-matière est fortement modifiée lors du passage de monocouches à multicouches. La structure de bande électronique modifiée dans les TMD multicouches, en particulier dans les bicouches, permet des propriétés et des phénomènes excitoniques complètement nouveaux, qui n’existent pas dans la monocouche. Les homobicouches hébergent un nouveau type d’excitons appelés «excitons intercouches» (IE) où les électrons sont localisés dans une seule couche tandis que les trous sont délocalisés sur les deux couches. Les principales caractéristiques d’une homobicouches tel que MoS2 sont : une forte absorption des IE qui ont un dipôle électrique statique.Au chapitre 5, nous montrons dans les systèmes homo-multicouches que lestransitions IE à forte absorption sont visibles jusqu’à la température ambiante. Le chapitre 6 est consacré aux MoS2 multicouches avec contact électrique. Là, nous mesurons une clivage géante de Stark pour les IEs et un changement d’énergie réglable dans les champs électriques appliqués en raison du dipôle électrique statique intégré des IEs. Nous montrons un fort couplage entre les excitons intra- et intercouches lorsqu’ils sont énergiquement accordés en résonance. Pour les tricouches MoS2, nous découvrons deux types distincts d’IEs en magnéto-optique avec des dipôles électriques statiques intégrés très différents.Dans cette thèse, nous montrons l’impact de l’environnement diélectrique localsur les transitions optiques et comment nous pouvons supprimer en grande partie le désordre diélectrique par encapsulation de nitrure de bore hexagonal dans les monocouches MoS2 élaborés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) au chapitre 7. Une qualité optique considérablement améliorée nous permet d’observer les excitons intercouches et le couplage intercouche dans les multicouches développées par CVD.Nous déterminons une corrélation entre l’ordre d’empilement et le couplage in-tercouche dans les couches CVD empilées artificiellement que nous montrons auchapitre 8. Nous montrons que la délocalisation des trous sur la bicouche n’estautorisée que dans l’empilement 2H et entraîne une forte absorption d’exciton intercouche et aussi dans un clivage spin-orbite de la bande de valence modifiée par rapport aux bicouches 3R.

We measure at very low temperature silicon MOS nanowire transistors in which the electronic transport through the channel takes place via one or more quantum dots. We have also built a radio frequency reflectometry device that allows us to probe the charge and spin state of a charge carrier trapped in one of these dots, even in the case of an interdot charge transition that does not give rise to drain-source current. This main task involves measurements at low temperature, under magnetic field, with low signals. The goal is to control the state of charge and spin for two different applications: electron pumps for quantum ampere metrology and spin quantum bits, or qubits.In the framework of this thesis, we focused on the problems related to spin qubits. Indeed, in 2016, our laboratory realized the first spin qubit of holes in quantum dots realized in silicon MOS technology. More precisely, we focused on two essential points of the functioning of such a qubit and, by extension, of a network of qubits: the control of the coupling between the quantum dots and the readout of the spin.First, we looked at three different ways of acting on the coupling: via the polarization of the backgate or via the polarization of a metallic line, both capacitively coupled to the nanowire, and finally via a third quantum dot placed in between the two dots. The first two ways are directly related to the design of the devices. The third way is much more subtle. We have shown that when two quantum dots are coupled via a third dot, the effective coupling between the two outer dots strongly depends on the internal state of the central dot.In a second step, we set up in a cryostat a new way to read the spin of a carrier via energy selectivity, involving fast electrical manipulations on the gates. After setting up and characterizing the necessary lines in the cryostat, we had to configure both the sending and the analysis of pulsed signals. The experiment was a success at zero magnetic field. We are getting exactly what we expect. This allowed us to validate the experimental set-up. At a non-zero magnetic field, on the other hand, the results obtained are non-trivial, indicating that indeed the magnetic field plays a role but it was difficult to pinpoint a spin signal accurately.This work was carried out in close collaboration with CEA-LETI, for the design and fabrication of the samples on their 300mm SOI (Silicon-On-Insulator) CMOS platform. This compatibility of our devices with industrial microelectronics production lines could be a great asset in the quest for large-scale qubit integration., Nous mesurons à très basse température des transistors nanofils silicium en technologie MOS dans lesquels le transport électronique à travers le canal a lieu via une ou des boîtes quantiques. Nous avons aussi construit un dispositif de réfléctométrie radio-fréquence qui permet de sonder l'état de charge et de spin d’un porteur de charge piégé dans une de ces boîtes, même dans le cas d'une transition de charge interne qui ne donne pas lieu à du courant drain-source. Nous utilisons ce dispositif pour lire la charge et le spin dans des échantillons dédiés qui comportent deux grilles. Cette tâche principale implique des mesures à basse température, sous champ magnétique, avec de faibles signaux. Le but est de contrôler l'état de charge et de spin pour deux applications différentes : les pompes à électrons pour la métrologie quantique de l'ampère et les bits quantiques, ou qubits, de spin.Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur les problématiques liées aux qubits de spin. En effet en 2016, notre laboratoire a réalisé le premier qubit de spin de trous dans des boîtes quantiques réalisées en technologie MOS silicium. Plus précisément, nous nous sommes penchés sur deux points essentiels du fonctionnement d’un tel qubit et, par extension, d’un réseau de qubits : le contrôle du couplage entre les boîtes quantiques et la lecture du spin.Dans un premier temps, nous avons regardé trois façons différentes d’agir sur le couplage : via la polarisation de la grille arrière ou via la polarisation d’une ligne métallique toutes deux capacitivement couplées au nanofil et enfin via une troisième boîte quantique. Les deux premières façons sont directement liés au design des dispositifs. La troisième façon est bien plus subtile. Nous avons montré que lorsque deux boîtes quantiques sont couplées via une troisième boîte, le couplage effectif entre les deux boîtes extérieures dépend fortement de l’état interne de la boîte centrale.Dans un deuxième temps, nous avons mis en place dans un cryostat une nouvelle façon de lire le spin d’un porteur via une sélectivité en énergie, impliquant des manipulations rapides sur les grilles. Après avoir monté et caractérisé les lignes nécessaires dans le cryostat, il a fallu configurer à la fois l’envoi et l’analyse de signaux pulsés. L’expérience est un succès à champ magnétique nul. Nous obtenons exactement ce à quoi nous nous attendons. Cela a permis de valider le dispositif expérimental. A champ magnétique non nul en revanche, les résultats obtenus sont non-triviaux, indiquant qu’effectivement le champ magnétique joue un rôle mais il a été difficile pointer avec exactitude un signal de spin.Ce travail a été mené en étroite collaboration avec le CEA-LETI, pour le design et la fabrication des échantillons sur leur plate-forme SOI (Silicon-On-Insulator) CMOS 300mm. Cette compatibilité de nos dispositifs avec des chaînes de production industrielles de microélectronique pourrait être un grand atout dans la quête de l’intégration à grande échelle de qubits.

Silicon photonics have been introduced to overcome low efficiency and high energy consumption of telecom links using twisted pairs or coaxial cables. This technology provides novel functionality and high performance for applications in high speed communication systems, short reach optical interconnects, and the deployment of optical links from chipto-chip, board-to-board or rack-to-rack (datacom). Silicon is known as a very efficient semiconductor material for waveguiding light in particular owing to the strong index contrast with silica. However, the indirect bandgap of silicon makes light emission from silicon inefficient, and other techniques such as wafer- or flipchip bonding must be investigated if light emission is to be realized. The drawbacks of such heterogeneous integration concentrate on the high cost and the limited scalability. Lasers heterogeneously integrated on silicon are also more sensitive to optical reflections originating from the transition between passive/active interfaces. The best way to overcome these drawbacks is to move on to direct epitaxial growth of IIIV materials on silicon for photonics integration. In this context, quantum dot lasers using semiconductor atoms as a gain medium are ideal because they enable smaller devices, amplification with large thermal stability and high tolerance to epitaxial defects. Ultra-low noise optical transmitters are required not only for the coherent systems but also for future chipscale atomic clocks and radar related applications because of the sensitivity to the frequency noise and intensity noise can strongly affect the bit error rates. To this end, the first part of the thesis reports an intrinsic spectral linewidth as low as 80 kHz and a relative intensity noise less than - 150 dB/Hz in InAs/InP quantum dot lasers. In particular, it is shown that a small vertical coupling is more suitable for low intensity noise operation due to the suppression of the carrier noise in the excited state. The second part of the thesis investigates the dynamic and nonlinear properties of epitaxial quantum dot lasers on silicon. As mentioned above, lasers heterogeneously integrated on silicon are more sensitive to parasitic reflections. When combined with external optical feedback, the laser stability can be dramatically affected. As no on-chip optical isolators integrated with lasers and having sufficient isolation ratio exist, the development of feedback insensitive transmitters remains a major objective. This thesis presents an error-free transmission of an epitaxial quantum dot laser on silicon externally modulated at 10 Gb/s and subjected to 100% optical feedback. Such remarkable feedback insensitivity directly results from the near-zero linewidth enhancement factor, the large damping factor, the strong contrast between the ground state and excited states and a shorter carrier lifetime. These results pave the way for future high-performance photonics integrated circuits on silicon operating without optical isolators., La photonique sur silicium permet de palier au faible rendement et la consommation énergétique élevée des liens télécoms exploitant les câbles à paires torsadées ou les câbles coaxiaux. Cette technologie offre une versatilité exceptionnelle, de nouvelles fonctionnalités et des performances accrues pour les communications à haut-débit, les systèmes d’interconnexions optiques à courte portée et le déploiement de liaisons optiques d’une puce à une autre, d’une carte à une autre, ou d’un rack à un autre (datacom). Le silicium est un matériau semi-conducteur très efficace pour le guidage de la lumière, notamment en raison du fort contraste d’indice avec la silice. Cependant, sa bande interdite indirecte ne permet pas une émission radiative efficace. La réalisation de lasers repose donc sur des technologies hybrides de collage ou de report du matériau actif III- V (wafer-bonding, flip-chip) sur le silicium passif. Cependant, cette intégration hétérogène présente des inconvénients comme par exemple un coût élevé et une évolutivité limitée. Les lasers hybrides sur silicium sont aussi plus sensibles aux réflexions parasites provenant des transitions des différentes interfaces passives/actives. Un moyen permettant de surmonter ces inconvénients consiste à faire croître directement le matériau III-V sur le silicium. Dans ce contexte, les lasers à boîtes quantiques utilisant des atomes semi-conducteurs comme milieu de gain sont des candidats très prometteurs en raison de leur compacité, de leur grande stabilité thermique et d’une tolérance accrue aux défauts structuraux. Certaines applications comme les systèmes cohérents, les futures horloges atomiques intégrées sur puces et les radars où la sensibilité aux bruits de fréquence et d’intensité influe fortement le taux d’erreur binaire requièrent l’utilisation d’émetteurs optiques à très faible bruit. Dans une première partie, cette thèse révèle le potentiel de lasers à boîtes quantiques InAs/InP présentant une largeur de raie spectrale intrinsèque de 80 kHz et un bruit relatif d’intensité inférieur à -150 dB/Hz. A cet effet, il est montré qu’un faible couplage vertical entre les états liés est plus approprié pour une réduction du bruit d’intensité notamment grâce à la suppression du bruit de porteurs associée à l’état excité. Dans une deuxième partie, les propriétés dynamiques et non- linéaires des lasers à boîtes quantiques directement épitaxiés sur silicium sont étudiées. Comme susmentionné, les lasers intégrés de manière hétérogène sur le silicium sont plus sensibles aux réflexions parasites. Combinées à une rétroaction optique externe, la stabilité du laser peut s’en trouver fortement affectée. Sachant qu’il n’existe pas à ce jour d’isolateurs optiques intégrés sur puce ayant un taux d’isolation suffisant, le développement d’émetteurs insensibles aux rétroactions est un objectif majeur. Cette thèse présente notamment un résultat de transmission sans erreur à partir d’un laser à boîtes quantique directement épitaxié sur silicium soumis à une modulation externe à 10 Gb/s ainsi qu’à une rétroaction optique maximale de 100%. Cette insensibilité aux réflexions résulte de plusieurs propriétés remarquables comme un facteur d’élargissement spectral proche de zéro, un facteur d’amortissement élevé, un fort contraste entre les seuils d’émission des états liés, et une durée de vie des porteurs plus courte. Ces résultats permettent d’envisager le développement de futurs circuits intégrés photoniques sur silicium à haute performance et fonctionnant sans isolateur optique.

The effect of strain and confinement was studied extensively by theory on nanowire quantum dots similar to those we studied with optical measurements. More specifically we investigated the hole ground state properties of both compressive CdTe quantum dots in ZnTe nanowire and tensile ZnTe quantum dots surrounded by ZnMgTe. Strain was tuned by modifying the aspect ratio of the quantum dot and by depositing an external ZnMgTe shell to the ZnTe core. The effect of confinement was investigated by changing the valence band offset between the core and the dot and switching from a strong type I to a strong type II. Additionally, for the CdTe quantum dots we carried out calculations also under the presence of an exchange field, in order to study the spin properties of the ground state through the giant Zeeman shift. These calculations revealed a strong renormalization of the light hole Land'e factor due to a combined effect of elastic strain and spin-orbit coupling.The nanowires were grown by molecular beam epitaxy in our group and the electronic properties of the quantum dots inserted in them, were studied by low temperature micro-photoluminescence spectroscopy. The study of the excitonic properties (identification of confined excitons, cathodoluminescence, autocorrelation) and the degree of polarization, allowed us to identify without ambiguity the presence of light holes in the valence band ground state, in agreement to what is expected from theoretical predictions.In order to investigate the spin properties of a light hole ground state, we carried out measurements on magnetic quantum dots containing Mn atoms (concentration in the order of 10%). These quantum dots were characterized by magneto-optical spectroscopy under strong magnetic fields, up to 11 T. This study was carried out for different magnetic field configurations, using both a uniaxial and a vectorial magnet (magnetic fields applied parallel and perpendicular to the nanowire axis, rotating magnetic fields). The presence of a light hole ground state was confirmed through a quantitative study of the excitonic giant Zeeman shift. Light hole presence was manifested through the formation of an exciton magnetic polaron characterized by anisotropic magnetic properties, which were observed for the first time. The experimental data were fitted in very good agreement with a quantitative model which was developed, using the results obtained from numerical calculations., Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés électroniques d’états de trous confinés dans des boites quantiques en nanofils. L'objectif principal était de déterminer les conditions permettant de stabiliser un état fondamental de trou léger et de mettre en évidence expérimentalement cet état de trou à l’aide de mesures de spectroscopie optique. Les deux principaux facteurs qui déterminent la nature de l’état de trou (trou lourd ou trou léger) et les mélanges entre états sont le confinement et les déformations élastiques. Ces paramètres peuvent être ajustés en modifiant le rapport entre la hauteur et la largeur des boites quantiques et en choisissant correctement le matériau qui l’entoure afin de maintenir le confinement du trou à l’intérieur de la boite quantique.D’un point de vue théorique, l’effet des déformations élastiques et du confinement a été étudié de manière approfondie par la mise en œuvre de calculs numériques k.p. Ces calculs ont été menés avec des boites quantiques en nanofils ayant une structure identique aux échantillons étudiés expérimentalement. Plus spécifiquement, nous avons étudié les propriétés de boites quantiques en compression (boites quantique de CdTe insérées dans des nanofils de ZnTe) et des boites quantiques en tension (boites quantiques de ZnTe entourées de coquilles de ZnMgTe). Les déformations élastiques et le confinement ont été ajustés en modifiant le rapport d’aspect des boites quantiques. Différents types de confinement ont été étudiés en modifiant le décalage de bande de valence entre la boite quantique et le nanofil (configurations de type I et de type II). De plus, une étude détaillée des propriétés de spin des états de trous légers a été menée en intégrant l’effet d’un champ d’échange dans les calculs k.p. Cette étude révèle une forte renormalisation du facteur de Landé des trous légers sous l’effet combiné des contraintes élastiques et du couplage spin-orbite.D’un point de vue expérimental, nous avons étudié des nanofils II-VI élaborés dans l’équipe par croissance par épitaxie par jets moléculaires. Des mesures de micro-photoluminescence à basse température ont été mises en œuvre avec des nanofils isolés afin d’étudier les propriétés électroniques de boites quantiques insérées dans les nanofils. L’étude des propriétés excitoniques (identification des excitons confinés, cathodoluminescence, autocorrélation) et du taux de polarisation a permis d’identifier sans ambigüité la présence de trous légers dans l’état fondamental en accord avec les prédictions théoriques. Afin de caractériser les états de trous légers à l’aide de leurs propriétés de spin, des études ont été menées avec des boites quantiques magnétiques contenant des atomes de manganèse (concentration de l’ordre de 10%). Ces boites quantiques ont été caractérisées par spectroscopie magnéto-optique sous fort champ magnétique (champ magnétique jusqu’à 11T). Différentes configurations de champs magnétiques ont été étudiées à l’aide de bobines de champs uni-axes et vectorielles (champs magnétiques parallèles ou perpendiculaires à l’axe des nanofils, champs magnétiques tournants). Une étude quantitative de l’effet Zeeman géant excitonique a permis de confirmer la présence d’état fondamental de trou léger dans les boites. Celle-ci se manifeste par la formation de polarons magnétiques excitoniques ayant des propriétés magnétiques anisotropes très originales. Un modèle quantitatif complet s’appuyant sur les modélisations numériques a été développé en très bon accord avec les résultats expérimentaux.

The effect of strain and confinement was studied extensively by theory on nanowire quantum dots similar to those we studied with optical measurements. More specifically we investigated the hole ground state properties of both compressive CdTe quantum dots in ZnTe nanowire and tensile ZnTe quantum dots surrounded by ZnMgTe. Strain was tuned by modifying the aspect ratio of the quantum dot and by depositing an external ZnMgTe shell to the ZnTe core. The effect of confinement was investigated by changing the valence band offset between the core and the dot and switching from a strong type I to a strong type II. Additionally, for the CdTe quantum dots we carried out calculations also under the presence of an exchange field, in order to study the spin properties of the ground state through the giant Zeeman shift. These calculations revealed a strong renormalization of the light hole Land'e factor due to a combined effect of elastic strain and spin-orbit coupling.The nanowires were grown by molecular beam epitaxy in our group and the electronic properties of the quantum dots inserted in them, were studied by low temperature micro-photoluminescence spectroscopy. The study of the excitonic properties (identification of confined excitons, cathodoluminescence, autocorrelation) and the degree of polarization, allowed us to identify without ambiguity the presence of light holes in the valence band ground state, in agreement to what is expected from theoretical predictions.In order to investigate the spin properties of a light hole ground state, we carried out measurements on magnetic quantum dots containing Mn atoms (concentration in the order of 10%). These quantum dots were characterized by magneto-optical spectroscopy under strong magnetic fields, up to 11 T. This study was carried out for different magnetic field configurations, using both a uniaxial and a vectorial magnet (magnetic fields applied parallel and perpendicular to the nanowire axis, rotating magnetic fields). The presence of a light hole ground state was confirmed through a quantitative study of the excitonic giant Zeeman shift. Light hole presence was manifested through the formation of an exciton magnetic polaron characterized by anisotropic magnetic properties, which were observed for the first time. The experimental data were fitted in very good agreement with a quantitative model which was developed, using the results obtained from numerical calculations.; Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés électroniques d’états de trous confinés dans des boites quantiques en nanofils. L'objectif principal était de déterminer les conditions permettant de stabiliser un état fondamental de trou léger et de mettre en évidence expérimentalement cet état de trou à l’aide de mesures de spectroscopie optique. Les deux principaux facteurs qui déterminent la nature de l’état de trou (trou lourd ou trou léger) et les mélanges entre états sont le confinement et les déformations élastiques. Ces paramètres peuvent être ajustés en modifiant le rapport entre la hauteur et la largeur des boites quantiques et en choisissant correctement le matériau qui l’entoure afin de maintenir le confinement du trou à l’intérieur de la boite quantique.D’un point de vue théorique, l’effet des déformations élastiques et du confinement a été étudié de manière approfondie par la mise en œuvre de calculs numériques k.p. Ces calculs ont été menés avec des boites quantiques en nanofils ayant une structure identique aux échantillons étudiés expérimentalement. Plus spécifiquement, nous avons étudié les propriétés de boites quantiques en compression (boites quantique de CdTe insérées dans des nanofils de ZnTe) et des boites quantiques en tension (boites quantiques de ZnTe entourées de coquilles de ZnMgTe). Les déformations élastiques et le confinement ont été ajustés en modifiant le rapport d’aspect des boites quantiques. Différents types de confinement ont été étudiés en modifiant le décalage de bande de valence entre la boite quantique et le nanofil (configurations de type I et de type II). De plus, une étude détaillée des propriétés de spin des états de trous légers a été menée en intégrant l’effet d’un champ d’échange dans les calculs k.p. Cette étude révèle une forte renormalisation du facteur de Landé des trous légers sous l’effet combiné des contraintes élastiques et du couplage spin-orbite.D’un point de vue expérimental, nous avons étudié des nanofils II-VI élaborés dans l’équipe par croissance par épitaxie par jets moléculaires. Des mesures de micro-photoluminescence à basse température ont été mises en œuvre avec des nanofils isolés afin d’étudier les propriétés électroniques de boites quantiques insérées dans les nanofils. L’étude des propriétés excitoniques (identification des excitons confinés, cathodoluminescence, autocorrélation) et du taux de polarisation a permis d’identifier sans ambigüité la présence de trous légers dans l’état fondamental en accord avec les prédictions théoriques. Afin de caractériser les états de trous légers à l’aide de leurs propriétés de spin, des études ont été menées avec des boites quantiques magnétiques contenant des atomes de manganèse (concentration de l’ordre de 10%). Ces boites quantiques ont été caractérisées par spectroscopie magnéto-optique sous fort champ magnétique (champ magnétique jusqu’à 11T). Différentes configurations de champs magnétiques ont été étudiées à l’aide de bobines de champs uni-axes et vectorielles (champs magnétiques parallèles ou perpendiculaires à l’axe des nanofils, champs magnétiques tournants). Une étude quantitative de l’effet Zeeman géant excitonique a permis de confirmer la présence d’état fondamental de trou léger dans les boites. Celle-ci se manifeste par la formation de polarons magnétiques excitoniques ayant des propriétés magnétiques anisotropes très originales. Un modèle quantitatif complet s’appuyant sur les modélisations numériques a été développé en très bon accord avec les résultats expérimentaux.

Josephson junctions are the building blocks of superconducting electronics. They are made of two superconductors separated by an insulating barrier. In this thesis, we present two experiments where the insulating barrier is replaced by a semiconductor.In the first one, we study nanowires in the regime of Coulomb blockade, where the number of electrons can be controlled, one by one, until a metal-insulator transition is induced. Across this transition, we observed that a single electronic spin behaves like a magnetic impurity and leads to the formation of discrete electronic states between the superconducting electrodes. The understanding of such devices is crucial for the development of superconducting nanoelectronics. In the second experiment, we study the Josephson effect in thin films where the electron motion is coupled to its spin. This spin-orbit interaction is essential in a wide number of theoretical works aiming at discover new phases of matter. We demonstrate that spin-orbit coupling can be probed by phase sensitive measurements of the Josephson current., Les jonctions Josephson sont les briques de base des circuits supraconducteurs. Elles sont constituées de deux supraconducteurs séparés par une barrière isolante. Dans cette thèse, nous présentons deux expériences où la barrière isolante est remplacée par un semi-conducteur. Dans la première, nous étudions des nanofils dans le régime du blocage de Coulomb, où le nombre d’électrons peut être controlé, un par un, jusqu’à induire une transition entre un régime métallique et un régime isolant. A travers cette transition, nous avons observé qu’un spin électronique se comporte comme une impureté magnétique et donne lieu à la formation d’états électroniques discrets entre les électrodes supraconductrices. La compréhension de ces dispositifs est essentielle pour le développement de la nanoélectronique à base de supraconducteur.Dans la seconde expérience, nous étudions l’effet Josephson dans des couches minces où le mouvement des électrons dépend de leur orientation de spin. Ce couplage spin-orbite est essentiel dans un grand nombres de travaux théoriques visant à découvrir des nouvelles phases de la matière. Nous démontrons par cette expérience que le couplage spin-orbite peut être sondé par des mesures sensibles à la différence de phase entre les électrodes supraconductrices qui forment la jonction Josephson.

These last years, condensed matter physics has witnessed the emergence of a new trend based on material patterning which allows a fine tuning of their properties. At a nanometer scale, the patterning modifies the electronic properties of the systems. Recently, superlattices of semiconductor nanocrystals have been synthesized using (bottom-up) self-assembly techniques, opening a new road toward electronic properties tuning. In this thesis, we made use of numerical and analytical methods to study the properties of these superlattices. We started by developing a simple analytical model (the LEGO model) that helps us perdict the electronic bandstructures of the superlattices. The model is based on the idea that nanocrystals are identical and hence act like LEGO bricks. The bandstructure is then constructed by building the supperlatice of these elementary bricks. Its results were confronted to more elaborate atomistic calculations and showed good agreement. In addition to this model, we proposed a new top-down approach to synthesize more complex superlattices. The approach is based on the lithographic patterning of semiconductor quantum wells, which provides enhanced parametric control than the bottom-up approach. We showed that the bandstructures of these lithographed superlattices have the same features as their atomic counterparts. This thesis also addresses the behavior of superlattices under the application of a static magnetic field. A preliminary study allowed us to show that the Zeeman splitting of the lowest conduction state in a nanostructure depends only on its energy gap and is independent of its shape, size and dimensionality. A simple analytical formula linking the Landé g-factor to the energy gap was derived. The physical causes of this universal response helped us explain the appearance of large magnetic moments in coherent superlattices of semiconductor nanocrystals. Moreover, we studied the effect of an experimentally observed disorder on the properties of these superlattices. The disorder consists in a random distribution of nanocrystal diameters. In honeycomb superlattices of HgTe (that were predicted to host a quantum spin Hall phase), the disorder destroys those large magnetic moments while keeping those originating from the topological edge states unchanged. This difference in behavior could be used to probe trivial to non-trivial phase transitions. Finally, we showed that this random distribution of diameters in square superlattices of PbSe nanocrystals generates a disorder on the sign of the coupling terms between them. We showed that this disorder can be reduced by gauge transformations and we determined the irreducible (real) disorder felt by electrons. We have found that the localization lengths of the wavefunctions due to the bond-sign disorder are larger than the ones predicted in literature due to Anderson-type disorder. Therefore, the bond-sign disorder can be neglected.; Ces dernières années, une nouvelle tendance en physique des solides reposant sur la structuration des matériaux est née, permettant ainsi la modification à souhait de leurs propriétés. Concernant les propriétés électroniques, l’échelle de structuration doit être nanométrique, ce qui représente un défi expérimental. Récemment, des réseaux cohérents de nanocristaux semiconducteurs ont pu être synthétisés par des techniques d’auto-assemblage (bottom-up). Ceci ouvre par conséquent une voie à la manipulation des propriétés électroniques des matériaux. Dans ce travail, nous avons utilisé des approches théoriques numériques et analytiques afin de caractériser certaines propriétés de ces réseaux de nanocristaux semi-conducteurs. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle analytique simplifié (modèle LEGO) permettant de prédire les comportements électroniques des différents réseaux construits et dans lesquels les nanocristaux sont considérés identiques et s’apparentent à des briques de LEGO. Ce modèle permet principalement de s’affranchir des lourds calculs numériques atomistiques tout en garantissant des résultats fidèles à ces derniers. Les relations de dispersion obtenues sont analytiques et ainsi facilement exploitables. Outre ce modèle analytique, nous proposons dans cette thèse une nouvelle approche top-down pour la synthèse de ces réseaux artificiels. Cette approche se base sur la lithographie de réseaux de trous dans des puits quantiques permettant ainsi l’augmentation du contrôle sur les structures obtenues. Nous avons montré que des réseaux bidimensionnels exotiques présentant des propriétés électroniques originales pourraient être synthétisés en utilisant cette approche. Au-delà des propriétés électroniques, nous avons étudié la réponse à un champ magnétique de ces super-réseaux. Pour arriver à cela, une étude préliminaire sur la réponse d’un nanocristal isolé s’est montrée nécessaire. Nos calculs prédisent un comportement universel de la séparation Zeeman dans l’état de conduction le plus bas des nanostructures semi-conductrices. Nous avons dérivé une expression simple donnant le facteur g de Landé en fonction du gap de la nanostructure, indépendamment de sa taille, forme et dimensionnalité. Une confrontation avec des résultats expérimentaux présents dans la littérature confirme notre théorie d’universalité. La compréhension des causes physiques générant cette universalité nous a permis d’expliquer l’apparition de grands moments magnétiques dans les réseaux de nanocristaux semi-conducteurs. Ce travail traite également de l’influence du désordre sur ces propriétés. Nous avons considéré un désordre observé expérimentalement se manifestant comme une distribution en taille des nanocristaux. Cette distribution crée un désordre de type Anderson sur les énergies des orbitales des nanocristaux. Nous avons montré que dans les systèmes présentant une phase Hall quantique de spin (tel que le réseau en nid d’abeilles de nanocristaux HgTe), ce désordre influence peu les moments magnétiques issus des états de bords topologiques. Cependant, il détruit facilement les moments magnétiques des états non topologiques. Cette différence de comportement pourrait être exploitée expérimentalement afin de suivre les transitions topologiques. Enfin, nous montrons que dans les réseaux carrés de PbSe, la distribution aléatoire des diamètres de nanocristaux génère un désordre sur les signes des termes de couplage entre eux. Nous montrons que ce désordre est réductible par des transformations de jauge et nous caractérisons le désordre résiduel (réel) ressenti par les électrons. Nous montrons que ce désordre induit des longueurs de localisation plus grandes que celles induites par le désordre d’Anderson étudié dans la littérature. Par conséquent, le désordre de signes peut être négligé.

The aim of this thesis is to theoretically study the coarsening dynamics of self-organized quantum dots. To this end, we derive the spatio-temporal evolution equation for a hetero-epitaxial system which takes into account surface diffusion, elastic effect, capillary effect and anisotropic effect, using the continuous mechanics framework. We first investigate theoretically the 2D morphology and the dynamics of an isotropic and an anisotropic system of self-organized islands (quantum dots). In both cases, we find a quasi-analytical continuous family of solution which describes the shape and the size of the islands and is favorably compared to our numerical simulations. We find in both cases that the coarsening time depends linearly on the distance between the islands and remarkably that in the anisotropic case the coarsening time can be reduced or accelerated depending on the islands heights. Secondly, motivated by experimental results on GaN quantum dots we study a three-dimensional system with a hexagonal surface energy anisotropy symmetry. Our numerical simulations reveal that the coarsening time is strongly slowed down due to the presence of the surface energy anisotropy and that a transition from hexagonal to elongated islands appears as the initial height of the film increases. Finally, we include the effect of preferential evaporation and we recover islands without a wetting layer that are observed experimentally and have a high photo-luminescence emission efficiency in the UV spectrum.; Le but de cette thèse est l'étude théorique de la dynamique du murissement des boites quantiques auto-organisées. Pour cela, nous déduisons en utilisant les outils de la mécanique des milieux continus, une équation pour l'évolution spatio-temporelle d'un film cristallin en hétéroépitaxie en prenant en compte les effets de diffusion de surface, les effets élastiques, les effets capillaires et les effets d'anisotropie d'énergie de surface. Nous étudions tout d'abord la morphologie 2D et la dynamique de boites quantiques isotrope et anisotrope. Dans chaque cas, nous trouvons de manière quasi analytique une famille continue de solution qui décrit la forme et la taille des ilots. Ces solutions sont en accord avec nos simulations numériques. Dans les deux cas, nous trouvons que le temps de murissement dépend linéairement de la distance entre ilots et en particulier dans le cas anisotrope nous mettons en évidence le fait que le temps de murissement est soit réduit ou soit accéléré en fonction de la hauteur des pair d'ilots. Dans un second temps, motivé par des résultats expérimentaux sur les boites quantiques de GaN, nous étudions la dynamique tridimensionnelle d'ilots avec une énergie d'énergie de surface avec symétrie hexagonale. Nos simulations numériques montrent que le temps de murissement est fortement réduit dû à la présence de l'anisotropie d'énergie de surface et qu'une transition entre des ilots hexagonaux et allongés apparait en fonction de l'épaisseur du film. Finalement, nous prenons en compte dans notre modèle numérique la présence de l'évaporation préférentielle et nous mettons en évidence la présence d'ilots sans couche de mouillage. Ces ilots sont observés expérimentalement et ont une haute efficacité d'émission par photoluminescence dans le spectre UV.

The aim of this thesis is to theoretically study the coarsening dynamics of self-organized quantum dots. To this end, we derive the spatio-temporal evolution equation for a hetero-epitaxial system which takes into account surface diffusion, elastic effect, capillary effect and anisotropic effect, using the continuous mechanics framework. We first investigate theoretically the 2D morphology and the dynamics of an isotropic and an anisotropic system of self-organized islands (quantum dots). In both cases, we find a quasi-analytical continuous family of solution which describes the shape and the size of the islands and is favorably compared to our numerical simulations. We find in both cases that the coarsening time depends linearly on the distance between the islands and remarkably that in the anisotropic case the coarsening time can be reduced or accelerated depending on the islands heights. Secondly, motivated by experimental results on GaN quantum dots we study a three-dimensional system with a hexagonal surface energy anisotropy symmetry. Our numerical simulations reveal that the coarsening time is strongly slowed down due to the presence of the surface energy anisotropy and that a transition from hexagonal to elongated islands appears as the initial height of the film increases. Finally, we include the effect of preferential evaporation and we recover islands without a wetting layer that are observed experimentally and have a high photo-luminescence emission efficiency in the UV spectrum.; Le but de cette thèse est l'étude théorique de la dynamique du murissement des boites quantiques auto-organisées. Pour cela, nous déduisons en utilisant les outils de la mécanique des milieux continus, une équation pour l'évolution spatio-temporelle d'un film cristallin en hétéroépitaxie en prenant en compte les effets de diffusion de surface, les effets élastiques, les effets capillaires et les effets d'anisotropie d'énergie de surface. Nous étudions tout d'abord la morphologie 2D et la dynamique de boites quantiques isotrope et anisotrope. Dans chaque cas, nous trouvons de manière quasi analytique une famille continue de solution qui décrit la forme et la taille des ilots. Ces solutions sont en accord avec nos simulations numériques. Dans les deux cas, nous trouvons que le temps de murissement dépend linéairement de la distance entre ilots et en particulier dans le cas anisotrope nous mettons en évidence le fait que le temps de murissement est soit réduit ou soit accéléré en fonction de la hauteur des pair d'ilots. Dans un second temps, motivé par des résultats expérimentaux sur les boites quantiques de GaN, nous étudions la dynamique tridimensionnelle d'ilots avec une énergie d'énergie de surface avec symétrie hexagonale. Nos simulations numériques montrent que le temps de murissement est fortement réduit dû à la présence de l'anisotropie d'énergie de surface et qu'une transition entre des ilots hexagonaux et allongés apparait en fonction de l'épaisseur du film. Finalement, nous prenons en compte dans notre modèle numérique la présence de l'évaporation préférentielle et nous mettons en évidence la présence d'ilots sans couche de mouillage. Ces ilots sont observés expérimentalement et ont une haute efficacité d'émission par photoluminescence dans le spectre UV.

Engineered affinity proteins have raised great interest due to their extremely small size compared to full length antibodies. Such small binding proteins have demonstrated many advantages such as quick biodistribution, good penetration into tumor tissue, and fast elimination from serum and nondiseased tissues. Thus, they are expected to be excellent alternatives to antibodies for clinical applications. This thesis focuses on the development of biosensors based on engineered antibodies and time-resolved Förster resonance energy transfer (FRET) through biological recognition of biomarkers. FRET-based immunoassays are established using terbium complexes (Tb) as FRET donors and semiconductor quantum dots (QDs) as FRET acceptors. The exceptional photophysical properties of the Tb-QD FRET pair allow for ultrasensitive quantitative biosensing. Single-domain antibodies (sdAb) and small engineered scaffold antibodies (ADAPT) are used to investigate different antibody-conjugation strategies for quantifying human epidermal growth factor receptors (EGFR, HER2) as clinical biomarkers. This work can be considered as a prerequisite to implementing QDs into applied clinical diagnostics.; Les protéines modifiées ont suscité un grand intérêt en raison de leur taille extrêmement petite par rapport à l'anticorps entier. Ces petites protéines de liaison ont démontré de nombreux avantages tels qu'une bio distribution rapide, une bonne pénétration dans le tissu tumoral et une élimination rapide du sérum et des tissus non-infectés. Ainsi, ces protéines devraient être d'excellentes alternatives aux anticorps pour les applications cliniques. Cette thèse présente le développement de biocapteurs basés sur des anticorps synthétiques et le transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) résolu en temps par la détection de biomarqueurs. Les tests immunologiques à base de FRET sont établis en utilisant des complexes de terbium (Tb) comme donneurs de FRET et des boîtes quantiques semi-conducteurs (QDs) comme accepteurs de FRET. Les propriétés photophysiques exceptionnelles de ce couple de FRET Tb-QD permettent une détection quantitative ultrasensible. Des anticorps monocaténaires (single-domain antibody, sdAb) et des petites protéines d’affinité synthétiques (albumin-binding domain-derived affinity protein, ADAPT) sont utilisés pour étudier différentes stratégies de conjugaison d'anticorps, et quantifier des biomarqueurs cliniques (EGFR, HER2). Ce travail peut être considéré comme une condition préalable à l’utilisation des QDs en diagnostic clinique.

Engineered affinity proteins have raised great interest due to their extremely small size compared to full length antibodies. Such small binding proteins have demonstrated many advantages such as quick biodistribution, good penetration into tumor tissue, and fast elimination from serum and nondiseased tissues. Thus, they are expected to be excellent alternatives to antibodies for clinical applications. This thesis focuses on the development of biosensors based on engineered antibodies and time-resolved Förster resonance energy transfer (FRET) through biological recognition of biomarkers. FRET-based immunoassays are established using terbium complexes (Tb) as FRET donors and semiconductor quantum dots (QDs) as FRET acceptors. The exceptional photophysical properties of the Tb-QD FRET pair allow for ultrasensitive quantitative biosensing. Single-domain antibodies (sdAb) and small engineered scaffold antibodies (ADAPT) are used to investigate different antibody-conjugation strategies for quantifying human epidermal growth factor receptors (EGFR, HER2) as clinical biomarkers. This work can be considered as a prerequisite to implementing QDs into applied clinical diagnostics.; Les protéines modifiées ont suscité un grand intérêt en raison de leur taille extrêmement petite par rapport à l'anticorps entier. Ces petites protéines de liaison ont démontré de nombreux avantages tels qu'une bio distribution rapide, une bonne pénétration dans le tissu tumoral et une élimination rapide du sérum et des tissus non-infectés. Ainsi, ces protéines devraient être d'excellentes alternatives aux anticorps pour les applications cliniques. Cette thèse présente le développement de biocapteurs basés sur des anticorps synthétiques et le transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) résolu en temps par la détection de biomarqueurs. Les tests immunologiques à base de FRET sont établis en utilisant des complexes de terbium (Tb) comme donneurs de FRET et des boîtes quantiques semi-conducteurs (QDs) comme accepteurs de FRET. Les propriétés photophysiques exceptionnelles de ce couple de FRET Tb-QD permettent une détection quantitative ultrasensible. Des anticorps monocaténaires (single-domain antibody, sdAb) et des petites protéines d’affinité synthétiques (albumin-binding domain-derived affinity protein, ADAPT) sont utilisés pour étudier différentes stratégies de conjugaison d'anticorps, et quantifier des biomarqueurs cliniques (EGFR, HER2). Ce travail peut être considéré comme une condition préalable à l’utilisation des QDs en diagnostic clinique.

This PhD deals with the epitaxial growth, structural and optical properties of AlyGa1-yN quantum dots (QDs) grown on AlxGa1-xN (0001) by molecular beam epitaxy (MBE), with the aim to study their potential as a novel route for efficient ultraviolet (UV) emitters.First, we have studied the growth of GaN QDs using either plasma MBE (PAMBE) or ammonia MBE (NH3-MBE) to find the most adapted nitrogen source for the fabrication of UV emitting QDs. It was shown that the growth process is better controlled using PAMBE, leading to the growth of GaN QDs with higher densities, better size uniformity and up to three times higher photoluminescence (PL) intensities. Also, the influence of the epitaxial strain on the QD self-assembling process was studied by fabricating GaN QDs on different AlxGa1-xN surfaces (with 0.5 ≤ x ≤ 0.7). We showed that QDs with higher densities and smaller sizes (heights) are formed by using a larger lattice-mismatch (i.e. a higher xAl composition). However, photoluminescence (PL) measurements indicated a strong redshift in the emission energy as the Al content of the AlxGa1-xN template increases due to the increase of the internal electric field discontinuity from 3 to 5.3 MV/cm.Next, in-depth investigations of the growth conditions and optical properties of Al0.1Ga0.9N QDs / Al0.5Ga0.5N were done presenting the different challenges to be solved to grow efficient QDs. Changing the growth procedure, especially the post-growth annealing step, has shown a modification of the QD shape from elongated QDs, formed with an annealing at 740°C, to symmetric QDs, formed with an annealing at a temperature around or above 800°C. An additional band emission at lower energies was also observed for QDs grown with a lower annealing temperature (740°C). This additional band emission was attributed to the formation of QDs with higher heights and a reduced Al composition less than the nominal one of 10 % (i.e. forming Ga-rich QDs). The influence of the annealing step performed at higher temperature has been shown to strongly decrease the PL emission from this additional QD family. In addition, this annealing step strongly impacted the QD shape and led to an improvement of the QD radiative efficiency by a factor 3. Then, the AlxGa1-xN barrier composition (0.5 ≤ x ≤ 0.7), the AlyGa1-yN QD composition (0.1 ≤ y ≤ 0.4) as well as the deposited amount were varied in order to assess the range of accessible emission energies. Also, the influence of varying the AlxGa1-xN barrier composition on the QD formation was studied. By varying these growth conditions, the QD wavelength emission was shifted from the UVA down to the UVC range, reaching a minimum wavelength emission of 270 - 275 nm (for water and air purification applications) with a high radiative efficiency. Time resolved photoluminescence (TRPL) combined with temperature dependent PL measurements enabled us to determine the internal quantum efficiencies (IQE) of AlyGa1-yN QDs / AlxGa1-xN (0001). IQE values between 50 % and 66 % were found at low temperature, combined with the ability to reach a PL integrated intensity ratio, between 300 K and 9 K, up to 75 % for GaN QDs and 46 % for AlyGa1-yN QDs (versus 0.5 % in a similar quantum well structure emitting in the UVC range).Finally, the demonstration of AlyGa1-yN QD-based light emitting diode prototypes, emitting in the whole UVA range, using GaN and Al0.1Ga0.9N QDs, and in the UVB range down to 305 nm with Al0.2Ga0.8N QDs active regions, was shown.; Ce travail porte sur la croissance par épitaxie sous jets moléculaires (EJM) et sur les propriétés structurales et optiques de boîtes quantiques (BQs) AlyGa1-yN insérées dans une matrice AlxGa1-xN (0001). L’objectif principal est d’étudier le potentiel des BQs en tant que nouvelle voie pour la réalisation d’émetteurs ultraviolets (UV) efficaces.Tout d'abord, nous avons étudié la croissance des BQs GaN en utilisant soit une source plasma (N2, appelée PAMBE) soit une source ammoniac (NH3, appelée NH3-MBE) afin de choisir la meilleure approche pour former les BQs les plus efficaces. Il a été montré que le procédé de croissance est mieux contrôlé en utilisant l’approche PAMBE, conduisant à la croissance de BQs GaN avec des densités plus élevées, une meilleure uniformité en taille et des intensités de photoluminescence (PL) jusqu’à trois fois plus élevées. En outre, l'influence de la contrainte épitaxiale sur le processus d'auto-assemblage des BQs a été étudiée en fabriquant des BQs GaN sur différentes couche tremplins d’AlxGa1-xN (avec 0,5 ≤ x ≤ 0,7). Nous avons montré que des BQs avec des densités plus élevées et des hauteurs plus faibles sont formées en augmentant le désaccord de paramètre de maille (c.à.d en utilisant des tremplins avec xAl plus élevé). Cependant, les mesures de photoluminescence (PL) indiquent un fort décalage de l'énergie d'émission vers le rouge lorsque xAl augmente, en raison de l'augmentation de la discontinuité du champ électrique interne de 3 à 5,3 MV/cm.Ensuite, des études approfondies sur les conditions de croissance et les propriétés optiques des BQs Al0,1Ga0,9N / Al0,5Ga0,5N ont été présentées, montrant les différents défis pour fabriquer des BQs efficaces. L’optimisation de la procédure de croissance, notamment l’étape de recuit post-croissance, a montré une modification de la forme des BQs. Plus précisément, un changement d’une forme allongée (pour un recuit à 740 °C), à une forme symétrique (pour un recuit à une température proche de ou supérieure à 800°C) a été observé. En plus, une bande d’émission supplémentaire vers les plus grandes longueurs d’onde a également été observée pour les BQs formées avec un recuit à 740°C. Cette bande a été attribuée à une fluctuation de composition des BQs, induisant la formation d’une famille additionnelle de BQs avec des hauteurs plus grandes et une compostions en Al inférieure à 10 %, estimée proche de l’alliage binaire GaN. Enfin, il a été démontré qu’en faisant un recuit à plus haute température (≥ 800°C), l’émission de PL de cette famille supplémentaire de BQs (BQs riche en Ga ou (Al)GaN) diminue très fortement. De plus, cette étape de recuit impacte fortement la forme des BQs et a conduit à une amélioration de leur efficacité radiative d’un facteur 3. Ensuite, la variation de la composition en Al des BQs AlyGa1-yN (0,1 ≤ y ≤ 0,4), ainsi que la quantité de matière déposée ont permis d’évaluer la gamme de longueurs d’onde d’émission accessibles. En ajustant les conditions de croissance, l’émission des BQs a été déplacée de l’UVA vers l’UVC, atteignant une émission autour de 270 - 275 nm (pour les applications de purification de l’eau et de l’air) avec des rendements radiatifs élevés. Les mesures de photoluminescence résolue en temps (TRPL), combinées avec les mesures de PL en fonction de la température, nous ont permis de déterminer les efficacités quantiques internes (IQE) des BQs GaN / AlxGa1-xN (0001). Des valeurs d’IQE comprises entre 50 % et 66 % ont été obtenues à basse température, avec la possibilité d’atteindre un rapport d’intensité intégré de PL, entre 300 K et 9 K, allant jusqu’à 75 % pour les BQs GaN et 46 % pour les BQs AlyGa1-yN (contre 0,5 % pour des structures équivalents à base de puits quantiques).Enfin, nous avons montré la possibilité de fabriquer des DELs à base de BQs (Al,Ga)N couvrant une grande gamme de longueurs d’onde allant du bleu-violet jusqu’à l’UVB (de 415 nm à 305 nm).

Quantum phenomena can nowadays be engineered to realize fundamentally new applications. This is the field of quantum technology, which holds the promise of revolutionizing computation, communication and metrology. By encoding the information in quantum mechanical systems, it appears to be possible to solve classically intractable problems, achieve absolute security in distant communications and beat the classical limits for precision measurements. Single photons as quantum information carriers play a central role in this field, as they can be easily manipulated and can be used to implement many quantum protocols. A key aspect is the interfacing between photons and matter quantum systems, a fundamental operation both for the generation and the readout of the photons. This has been driving a lot of research toward the realization of efficient atom-cavity systems, which allows the deterministic and reversible transfer of the information between the flying photons and the optical transition of a stationary atom. The realization of such systems in the solid-state gives the possibility of fabricating integrated and scalable quantum devices. With this objective, in this thesis work, we study the light-matter interface provided by a single semiconductor quantum dot, acting as an artificial atom, deterministically coupled to a micropillar cavity. Such a device is shown to be an efficient emitter and receiver of single photons, and is used to implement basic quantum functionalities.First, under resonant optical excitation, the device is shown to act as a very bright source of single photons. The strong acceleration of the spontaneous emission in the cavity and the electrical control of the structure, allow generating highly indistinguishable photons with a record brightness. This new generation of single photon sources can be used to generate path entangled NOON states. Such entangled states are important resources for sensing application, but their full characterizatiob has been scarcely studied. We propose here a novel tomography method to fully characterize path entangled N00N state and experimentally demonstrate the method to derive the density matrix of a two-photon path entangled state. Finally, we study the effect of the quantum dot-cavity device as a non-linear filter. The optimal light matter interface achieved here leads to the observation of an optical nonlinear response at the level of a single incident photon. This effect is used to demonstrate the filtering of single photon Fock state from classical incident light pulses. This opens the way towards the realization of efficient photon-photon effective interactions in the solid state, a fundamental step to overcome the limitations arising from the probabilistic operations of linear optical gates that are currently employed in quantum computation and communication.; Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires.

Quantum phenomena can nowadays be engineered to realize fundamentally new applications. This is the field of quantum technology, which holds the promise of revolutionizing computation, communication and metrology. By encoding the information in quantum mechanical systems, it appears to be possible to solve classically intractable problems, achieve absolute security in distant communications and beat the classical limits for precision measurements. Single photons as quantum information carriers play a central role in this field, as they can be easily manipulated and can be used to implement many quantum protocols. A key aspect is the interfacing between photons and matter quantum systems, a fundamental operation both for the generation and the readout of the photons. This has been driving a lot of research toward the realization of efficient atom-cavity systems, which allows the deterministic and reversible transfer of the information between the flying photons and the optical transition of a stationary atom. The realization of such systems in the solid-state gives the possibility of fabricating integrated and scalable quantum devices. With this objective, in this thesis work, we study the light-matter interface provided by a single semiconductor quantum dot, acting as an artificial atom, deterministically coupled to a micropillar cavity. Such a device is shown to be an efficient emitter and receiver of single photons, and is used to implement basic quantum functionalities.First, under resonant optical excitation, the device is shown to act as a very bright source of single photons. The strong acceleration of the spontaneous emission in the cavity and the electrical control of the structure, allow generating highly indistinguishable photons with a record brightness. This new generation of single photon sources can be used to generate path entangled NOON states. Such entangled states are important resources for sensing application, but their full characterizatiob has been scarcely studied. We propose here a novel tomography method to fully characterize path entangled N00N state and experimentally demonstrate the method to derive the density matrix of a two-photon path entangled state. Finally, we study the effect of the quantum dot-cavity device as a non-linear filter. The optimal light matter interface achieved here leads to the observation of an optical nonlinear response at the level of a single incident photon. This effect is used to demonstrate the filtering of single photon Fock state from classical incident light pulses. This opens the way towards the realization of efficient photon-photon effective interactions in the solid state, a fundamental step to overcome the limitations arising from the probabilistic operations of linear optical gates that are currently employed in quantum computation and communication.; Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires.

Two different single spin systems are studied in this thesis: single Mn spin in positively charged quantum dots, and single Cr atom in a neutral quantum dots. Both are probed optically, using the photoluminescence of a single dot. Both systems are strongly coupled to phonons and strains. This coupling opens new ways to probe and control the spins of the magnetic atoms, not only optically, but also by modulating the strain state at their position.Using resonant photoluminescence, we demonstrate the existence of optical Λ-level systems in Mn-doped positively charged quantum dots, and use them to study the dynamics of the hole-Mn hybrid spin. It reveals hole-Mn spin flip-flops in the nanosecond range due to the interplay of the interaction with acoustic phonons and the hole-Mn exchange interaction. We also show that degenerated electron-Mn states separated by spin flips of two units are coupled through the in-plane strain anisotropy, and study this strain induced coherent dynamics.Using magneto-optic experiments, we are able to probe the spin of a single Cr atom and extract a magnetic anisotropy D0 in the meV range. Several parameters of the QD are extracted from these experiments, and, especially, we show that the h-Cr coupling is anti-ferromagnetic. We demonstrate that the Cr spin can be prepared using resonant optical pumping. These experiments evidence a Cr relaxation time under excitation in the 10 nanoseconds range. This relaxation is driven by hole-Cr spin flip-flops caused by the interplay of the interaction with acoustic phonons and the hole-Cr exchange interaction. A relaxation in the dark in the microseconds range was also measured. Possibility of control of the Cr spin was also demonstrated using the optical Stark effect., Deux systèmes de spins uniques sont étudiés dans cette thèse : d’abord un unique atome de Mn dans une boîte quantique chargée positivement, puis un unique atome de Cr dans une boîte quantique neutre. Cette étude a été entièrement réalisée par des moyens optiques, via la photoluminescence d’une boîte unique. Ces deux systèmes sont fortement couplés aux phonons et aux contraintes. Ce couplage permet de ne plus se limiter à une détection et une manipulation du spin optique, mais ouvre également la possibilité de le faire en modulant le champ de contrainte.Par des expériences de photoluminescence résonante, nous montrons l’existence de niveaux optique en Λ dans les boîtes quantiques chargées positivement et dopées d’un unique atome de Mn. Ces niveaux en Λ sont utilisés pour étudier la dynamique du spin hybride trou-Mn. Cette étude révèle l’existence de flip-flops des spins du trou et du Mn à l’échelle de la nanoseconde, dus à l’interaction d’échange trou-Mn et à l’interaction avec les phonons acoustiques. Un couplage par l’anisotropie des contraintes dans le plan de niveaux électron-Mn dégénérés et séparé par un spin flip de deux unités est aussi démontré, et dynamique cohérente induite par les contraintes est étudiée en détail.Grâce à des expériences magnéto-optiques, nous avons pu détecter la photoluminescence d’un atome de Cr unique dans une boîte quantique, et extraire une anisotropie magnétique du spin du Cr de quelques meV. De nombreux paramètres des boîtes étudiées peuvent être extrait de ces expériences, et nous montrons notamment que le couplage trou-Cr est antiferromagnétique. Nous démontrons que le spin du Cr peut être préparé par pompage optique résonant. Ces expériences ont permis de montrer que, sous excitation, le spin du Cr fait des flip-flops avec celui du trou, causé par l’interaction d’échange trou-Cr et le couplage aux phonons acoustiques. Ces flip-flops causent une relaxation rapide du spin du Cr sous excitation, mesurée comme de l’ordre de quelques dizaines de nanosecondes. Dans le noir, nous avons trouvé que le spin du Cr relaxe en quelques microsecondes. Finalement, nous avons aussi démontré la possibilité de contrôler le spin du Cr par l’effet Stark optique.

This PhD deals with the epitaxial growth, structural and optical properties of AlyGa1-yN quantum dots (QDs) grown on AlxGa1-xN (0001) by molecular beam epitaxy (MBE), with the aim to study their potential as a novel route for efficient ultraviolet (UV) emitters.First, we have studied the growth of GaN QDs using either plasma MBE (PAMBE) or ammonia MBE (NH3-MBE) to find the most adapted nitrogen source for the fabrication of UV emitting QDs. It was shown that the growth process is better controlled using PAMBE, leading to the growth of GaN QDs with higher densities, better size uniformity and up to three times higher photoluminescence (PL) intensities. Also, the influence of the epitaxial strain on the QD self-assembling process was studied by fabricating GaN QDs on different AlxGa1-xN surfaces (with 0.5 ≤ x ≤ 0.7). We showed that QDs with higher densities and smaller sizes (heights) are formed by using a larger lattice-mismatch (i.e. a higher xAl composition). However, photoluminescence (PL) measurements indicated a strong redshift in the emission energy as the Al content of the AlxGa1-xN template increases due to the increase of the internal electric field discontinuity from 3 to 5.3 MV/cm.Next, in-depth investigations of the growth conditions and optical properties of Al0.1Ga0.9N QDs / Al0.5Ga0.5N were done presenting the different challenges to be solved to grow efficient QDs. Changing the growth procedure, especially the post-growth annealing step, has shown a modification of the QD shape from elongated QDs, formed with an annealing at 740°C, to symmetric QDs, formed with an annealing at a temperature around or above 800°C. An additional band emission at lower energies was also observed for QDs grown with a lower annealing temperature (740°C). This additional band emission was attributed to the formation of QDs with higher heights and a reduced Al composition less than the nominal one of 10 % (i.e. forming Ga-rich QDs). The influence of the annealing step performed at higher temperature has been shown to strongly decrease the PL emission from this additional QD family. In addition, this annealing step strongly impacted the QD shape and led to an improvement of the QD radiative efficiency by a factor 3. Then, the AlxGa1-xN barrier composition (0.5 ≤ x ≤ 0.7), the AlyGa1-yN QD composition (0.1 ≤ y ≤ 0.4) as well as the deposited amount were varied in order to assess the range of accessible emission energies. Also, the influence of varying the AlxGa1-xN barrier composition on the QD formation was studied. By varying these growth conditions, the QD wavelength emission was shifted from the UVA down to the UVC range, reaching a minimum wavelength emission of 270 - 275 nm (for water and air purification applications) with a high radiative efficiency. Time resolved photoluminescence (TRPL) combined with temperature dependent PL measurements enabled us to determine the internal quantum efficiencies (IQE) of AlyGa1-yN QDs / AlxGa1-xN (0001). IQE values between 50 % and 66 % were found at low temperature, combined with the ability to reach a PL integrated intensity ratio, between 300 K and 9 K, up to 75 % for GaN QDs and 46 % for AlyGa1-yN QDs (versus 0.5 % in a similar quantum well structure emitting in the UVC range).Finally, the demonstration of AlyGa1-yN QD-based light emitting diode prototypes, emitting in the whole UVA range, using GaN and Al0.1Ga0.9N QDs, and in the UVB range down to 305 nm with Al0.2Ga0.8N QDs active regions, was shown., Ce travail porte sur la croissance par épitaxie sous jets moléculaires (EJM) et sur les propriétés structurales et optiques de boîtes quantiques (BQs) AlyGa1-yN insérées dans une matrice AlxGa1-xN (0001). L’objectif principal est d’étudier le potentiel des BQs en tant que nouvelle voie pour la réalisation d’émetteurs ultraviolets (UV) efficaces.Tout d'abord, nous avons étudié la croissance des BQs GaN en utilisant soit une source plasma (N2, appelée PAMBE) soit une source ammoniac (NH3, appelée NH3-MBE) afin de choisir la meilleure approche pour former les BQs les plus efficaces. Il a été montré que le procédé de croissance est mieux contrôlé en utilisant l’approche PAMBE, conduisant à la croissance de BQs GaN avec des densités plus élevées, une meilleure uniformité en taille et des intensités de photoluminescence (PL) jusqu’à trois fois plus élevées. En outre, l'influence de la contrainte épitaxiale sur le processus d'auto-assemblage des BQs a été étudiée en fabriquant des BQs GaN sur différentes couche tremplins d’AlxGa1-xN (avec 0,5 ≤ x ≤ 0,7). Nous avons montré que des BQs avec des densités plus élevées et des hauteurs plus faibles sont formées en augmentant le désaccord de paramètre de maille (c.à.d en utilisant des tremplins avec xAl plus élevé). Cependant, les mesures de photoluminescence (PL) indiquent un fort décalage de l'énergie d'émission vers le rouge lorsque xAl augmente, en raison de l'augmentation de la discontinuité du champ électrique interne de 3 à 5,3 MV/cm.Ensuite, des études approfondies sur les conditions de croissance et les propriétés optiques des BQs Al0,1Ga0,9N / Al0,5Ga0,5N ont été présentées, montrant les différents défis pour fabriquer des BQs efficaces. L’optimisation de la procédure de croissance, notamment l’étape de recuit post-croissance, a montré une modification de la forme des BQs. Plus précisément, un changement d’une forme allongée (pour un recuit à 740 °C), à une forme symétrique (pour un recuit à une température proche de ou supérieure à 800°C) a été observé. En plus, une bande d’émission supplémentaire vers les plus grandes longueurs d’onde a également été observée pour les BQs formées avec un recuit à 740°C. Cette bande a été attribuée à une fluctuation de composition des BQs, induisant la formation d’une famille additionnelle de BQs avec des hauteurs plus grandes et une compostions en Al inférieure à 10 %, estimée proche de l’alliage binaire GaN. Enfin, il a été démontré qu’en faisant un recuit à plus haute température (≥ 800°C), l’émission de PL de cette famille supplémentaire de BQs (BQs riche en Ga ou (Al)GaN) diminue très fortement. De plus, cette étape de recuit impacte fortement la forme des BQs et a conduit à une amélioration de leur efficacité radiative d’un facteur 3. Ensuite, la variation de la composition en Al des BQs AlyGa1-yN (0,1 ≤ y ≤ 0,4), ainsi que la quantité de matière déposée ont permis d’évaluer la gamme de longueurs d’onde d’émission accessibles. En ajustant les conditions de croissance, l’émission des BQs a été déplacée de l’UVA vers l’UVC, atteignant une émission autour de 270 - 275 nm (pour les applications de purification de l’eau et de l’air) avec des rendements radiatifs élevés. Les mesures de photoluminescence résolue en temps (TRPL), combinées avec les mesures de PL en fonction de la température, nous ont permis de déterminer les efficacités quantiques internes (IQE) des BQs GaN / AlxGa1-xN (0001). Des valeurs d’IQE comprises entre 50 % et 66 % ont été obtenues à basse température, avec la possibilité d’atteindre un rapport d’intensité intégré de PL, entre 300 K et 9 K, allant jusqu’à 75 % pour les BQs GaN et 46 % pour les BQs AlyGa1-yN (contre 0,5 % pour des structures équivalents à base de puits quantiques).Enfin, nous avons montré la possibilité de fabriquer des DELs à base de BQs (Al,Ga)N couvrant une grande gamme de longueurs d’onde allant du bleu-violet jusqu’à l’UVB (de 415 nm à 305 nm).

This thesis focuses on low temperature experiments in germaniumbased heterostructure in the scope of quantumspintronic. First, theoretical advantages of Ge for quantum spintronic are detailed, specifically the low hyperfine interaction and strong spin orbit coupling expected in Ge. In a second chapter, the theory behind quantum dots and double dots systems is explained, focusing on the aspects necessary to understand the experiments described thereafter, that is to say charging effects in quantum dots and double dots and Pauli spin blockade. The third chapter focuses on spin orbit interaction. Its origin and its effect on energy band diagrams are detailed. This chapter then focuses on consequences of the spin orbit interaction specific to two dimensional germaniumheterostructure, that is to say Rashba spin orbit interaction, D’Yakonov Perel spin relaxation mechanism and weak antilocalization.In the fourth chapter are depicted experiments in Ge/Si core shell nanowires. In these nanowire, a quantumdot formnaturally due to contact Schottky barriers and is studied. By the use of electrostatic gates, a double dot system is formed and Pauli spin blockade is revealed.The fifth chapter reports magneto-transport measurements of a two-dimensional holegas in a strained Ge/SiGe heterostructure with the quantum well laying at the surface, revealing weak antilocalization. By fitting quantumcorrection to magneto-conductivity characteristic transport times and spin splitting energy of 2D holes are extracted. Additionally, suppression of weak antilocalization by amagnetic field parallel to the quantum well is reported and this effect is attributed to surface roughness and virtual occupation of unoccupied subbands.Finally, chapter number six reportsmeasurements of quantization of conductance in strained Ge/SiGe heterostructure with a buried quantumwell. First the heterostructure is characterized by means ofmagneto-conductance measurements in a Hall bar device. Then another device engineered specifically as a quantum point contact is measured and displays steps of conductance. Magnetic field dependance of these steps is measured and an estimation of the g-factor for heavy holes in germanium is extracted., Le travail exposé dans cette thèse de doctorat présente des expériences à basse température dans le domaine de la spintronique quantique sur des hétérostructures à base de germanium. Tout d’abord, les avantages attendus du germaniumpour la spintronique quantique sont exposés, en particulier la faible interaction hyperfine et le fort couplage spin-orbite théoriquement prédits dans le Ge. Dans un second chapitre, la théorie des boites quantiques et systèmes à double boite sont détaillés, en se focalisant sur les concepts nécessaires à la compréhension des expériences décrites plus tard, c’est-à-dire les effets de charge dans les boites quantiques et double boites, ainsi que le blocage de spin de Pauli. Le troisième chapitre s’intéresse à l’interaction spin-orbite. Son origine ainsi que ses effets sur les diagrammes d’énergie de bande sont discutés. Ce chapitre se concentre ensuite sur les conséquences de l’interaction spin-orbite spécifiques aux gaz bidimensionnels de trous dans des hétérostructures de germanium, c’est-à-dire l’interaction spin-orbite Rashba, le mécanisme de relaxation de spin D’Yakonov-Perel ainsi que l’antilocalisation faible.Le chapitre quatre présente des mesures effectuées sur des nanofils coeur coquillede Ge/Si. Dans ces nanofils une boite quantique se forme naturellement et celui-ci est étudié. Un système à double boite quantiques est ensuite formé par utilisation de grilles électrostatiques, révélant ainsi du blocage de spin de Pauli.Dans le cinquième chapitre sont détaillés des mesures demagneto-conductance de gas de trous bidimensionnels dans des hétérostructures de Ge/SiGe contraints dont le puit quantique se situe à la surface. Ces mesuresmontrent de l’antilocalisation faible. Les temps de transport caractéristiques sont extraits ainsi que l’énergie de séparation des trous 2D par ajustement de courbe de la correction à la conductivité due à l’antilocalisation. De plus, les mesures montrent une suppression de l’antilocalisation par un champ magnétique parallèle au puit quantique. Cet effet est attribué à la rugosité de surface ainsi qu’à l’occupation virtuelle de sous-bandes inoccupées.Finalement, le chapitre six présente des mesures de quantisation de la conductancedans des hétérostructures de Ge/SiGe contraints dont le puit quantique est enterré. Tout d’abord, l’hétérostructure est caractérisée grâce à des mesures de magneto-conductance dans une barre de Hall. Ensuite, un second échantillon dessiné spécialement pour la réalisation de points de contact quantiques est mesuré. Celui-ci montre des marches de conductance. La dépendance en champ magnétique de ces marches est mesurée, permettant ainsi une extraction du facteur gyromagnétique de trous lourds dans du germanium.

The goal of this thesis work was to characterise quantum dots obtained by a novel growth method. We used microphotoluminescence techniques to study multiple properties of these dots. We have evaluated main contributions to light-heavy hole valence band mixing. Contrary to self-assembled dots, we find a more homogeneous distribution of the mixing parameter, which can be explained by the absence of mechanical tension due to lattice mismatch. We have also measured magneto-optical parameters such as electron and hole g-factors, diamagnetic shift, fine structure splitting for bright and dark states. These results allowed us to estimate geometric parameters of dots, making a point on the growth quality. Polarisation studies on the dark states have revealed a result different from previous theoretical predictions. We have used a recently presented model to explain our findings. The last part of this work presents results on quantum dots embedded in an n-i Schottky structure. We have measured binding energies of positive and negative trions, to make a connection with previous results, to then study double quantum dot system. We have observed an anticrossing of hole S states, which is in agreement with our estimations based on sample parameters.; Le but de cette thèse a été de caractériser des boîtes quantiques obtenues avec une nouvelle méthode de croissance. Utilisant des techniques de microphotoluminescence, nous avons étudié les différentes contributions au mélange des bandes de trous lourds et de trous légers. En l'absence de contrainte, la distribution du paramètre de mélange est plus homogène ; cependant, d'autres contributions deviennent dominantes et nous les avons discutées. Nous avons mesuré les paramètres magnéto-optiques : facteurs Landé de l'électron et du trou, décalage diamagnétique, paramètres de structure fine des états noirs et brillants. Les valeurs obtenues ont permis d'estimer la variation des paramètres géométriques des boîtes, ce qui est lié à la qualité du contrôle de la croissance. La polarisation des états noirs mesurée s'est révélée différente de celle prévue selon le modèle utilisé précédemment dans la littérature. Utilisant un modèle théorique récent, nous avons reproduit nos observations, ce qui met en évidence une modulation possible de la polarisation des états noirs par le champ magnétique. Finalement, nous avons effectué des études de contrôle de charges dans des structures n-i Schottky. Pour des boîtes uniques, des états multichargés ont été observés. Nous avons mesuré les énergies de liaison des trions positif et négatif, au préalable à une étude sur des molécules de boîtes. Nous avons observé des anticroisements des états S des trous dans deux boîtes, en accord avec nos prévisions basées sur les paramètres nominaux de l'échantillon.

The recent evolution of optical communication systems is such that the transfer of massive amounts of information is no longer limited to long-distance transoceanic links or backbone networks. Numerous short-reach applications requiring high data throughputs are emerging, not only in access networks, where upgrades of the bit rate of fiber-to-the-home systems need to be anticipated, but also in data center networks where huge amounts of information may need to be exchanged between servers, in part triggered by the rise of big data applications. The new requirements in terms of cost and energy consumption set by novel short-reach applications therefore need to be considered in the design and operation of a new generation of semiconductor laser sources. Owing to the tight quantum confinement of carriers, quantum dot lasers constitute a class of oscillators exhibiting superior characteristics such as a lower operating threshold, a better thermal stability as well as larger optical nonlinearities. The investigation of quantum dot lasers operating under external perturbations allows probing such optical nonlinearities in the view of developing all-optical wavelength-converters with improved performance as well as optical feedback-resistant transmitters. This last point iseven more critical since it is expected that short-reach links making use of directly modulated sources will experience massive deployment in the near future, in contrast to conventional backbone links where the number of required optoelectronic interfaces remains relatively modest. In order to do so, the thesis reports on novel findings in GaAs- and InP-based quantum dot lasers such as improved bandwidth and conversion efficiency under optical injection and various complex dynamics with delayed quantum dot oscillators emitting on different lasing states. Last but not the least, the massive deployment of coherent systems as well as the realization of future chip-scale atomic clocks require the implementation of optical sources with narrow spectral linewidth otherwise the sensitivity to the phase noise of both transmitters and local oscillators can strongly affect the bit error rates at the receiver. This is another objective to be addressed in the thesis where the benefits of the quantum dot technology has allowed to reach a spectral linewidth as low as 160 kHz (100 kHz under optical feedback) which is of paramount importance not only regarding the aforementioned applications.; L’évolution actuelle des systèmes de communications optiques est telle que la circulation d’information n’est plus exclusivement limitée par les liens longues distances transocéaniques ou par les réseaux cœurs. De nombreuses applications courtes distances comme les réseaux d’accès où les débits des systèmes amenant la fibre chez l’abonné doivent être maximisés et les connexions internes et externes des centres de données transportent un trafic de données important produit en partie par les applications de type « Big Data ». Les critères imposés par ces nouvelles architectures notamment en termes de coût et consommation énergétique doivent être pris en compte en particulier par le déploiement de nouveaux composants d’extrémités. Grâce au très fort confinement des porteurs, les lasers à boites quantiques constituent une classe d’oscillateurs présentant des caractéristiques remarquables notamment en termes de courant de seuil et de stabilité thermique. En particulier, l’application d’une perturbation optique externe permet d’exploiter les nonlinéarités optiques des boîtes quantiques pour la réalisation de convertisseurs en longueur d’onde performants ou de transmetteurs à haut-débit fonctionnant sans isolateur optique. Ce dernier point est particulièrement critique dans les réseaux courtes distances où l’utilisation de sources modulées directement reste une solution technologique importante.Ce travail de thèse réalisé sur des structures lasers à base d’Arséniure de Gallium (GaAs) et de Phosphure d’Indium (InP) montre la possibilité d’améliorer l’efficacité de conversion non-linéaire par injection optique et de générer de nombreuses dynamiques dans des oscillateurs rétroactionnés et émettant sur différents états quantiques. Par ailleurs, le déploiement massif des systèmes cohérents mais également la conception des futures horloges atomiques sur puces nécessite l’utilisation de sources optiques à faible largeur de raie et ce afin de limiter la sensibilité de la réception au bruit de phase du transmetteur et de l’oscillateur local et induire un taux d’erreur binaire important. La conception de laser à faible largeur spectrale constitue un autre objectif de ce travail thèse. Les avantages de la technologie boites quantiques ont été mis à profit pour d’atteindre une largeur spectrale de 160 kHz (100 kHz en présence de rétroaction optique) ce qui est de première importance pour les applications susmentionnées.

The recent evolution of optical communication systems is such that the transfer of massive amounts of information is no longer limited to long-distance transoceanic links or backbone networks. Numerous short-reach applications requiring high data throughputs are emerging, not only in access networks, where upgrades of the bit rate of fiber-to-the-home systems need to be anticipated, but also in data center networks where huge amounts of information may need to be exchanged between servers, in part triggered by the rise of big data applications. The new requirements in terms of cost and energy consumption set by novel short-reach applications therefore need to be considered in the design and operation of a new generation of semiconductor laser sources. Owing to the tight quantum confinement of carriers, quantum dot lasers constitute a class of oscillators exhibiting superior characteristics such as a lower operating threshold, a better thermal stability as well as larger optical nonlinearities. The investigation of quantum dot lasers operating under external perturbations allows probing such optical nonlinearities in the view of developing all-optical wavelength-converters with improved performance as well as optical feedback-resistant transmitters. This last point iseven more critical since it is expected that short-reach links making use of directly modulated sources will experience massive deployment in the near future, in contrast to conventional backbone links where the number of required optoelectronic interfaces remains relatively modest. In order to do so, the thesis reports on novel findings in GaAs- and InP-based quantum dot lasers such as improved bandwidth and conversion efficiency under optical injection and various complex dynamics with delayed quantum dot oscillators emitting on different lasing states. Last but not the least, the massive deployment of coherent systems as well as the realization of future chip-scale atomic clocks require the implementation of optical sources with narrow spectral linewidth otherwise the sensitivity to the phase noise of both transmitters and local oscillators can strongly affect the bit error rates at the receiver. This is another objective to be addressed in the thesis where the benefits of the quantum dot technology has allowed to reach a spectral linewidth as low as 160 kHz (100 kHz under optical feedback) which is of paramount importance not only regarding the aforementioned applications., L’évolution actuelle des systèmes de communications optiques est telle que la circulation d’information n’est plus exclusivement limitée par les liens longues distances transocéaniques ou par les réseaux cœurs. De nombreuses applications courtes distances comme les réseaux d’accès où les débits des systèmes amenant la fibre chez l’abonné doivent être maximisés et les connexions internes et externes des centres de données transportent un trafic de données important produit en partie par les applications de type « Big Data ». Les critères imposés par ces nouvelles architectures notamment en termes de coût et consommation énergétique doivent être pris en compte en particulier par le déploiement de nouveaux composants d’extrémités. Grâce au très fort confinement des porteurs, les lasers à boites quantiques constituent une classe d’oscillateurs présentant des caractéristiques remarquables notamment en termes de courant de seuil et de stabilité thermique. En particulier, l’application d’une perturbation optique externe permet d’exploiter les nonlinéarités optiques des boîtes quantiques pour la réalisation de convertisseurs en longueur d’onde performants ou de transmetteurs à haut-débit fonctionnant sans isolateur optique. Ce dernier point est particulièrement critique dans les réseaux courtes distances où l’utilisation de sources modulées directement reste une solution technologique importante.Ce travail de thèse réalisé sur des structures lasers à base d’Arséniure de Gallium (GaAs) et de Phosphure d’Indium (InP) montre la possibilité d’améliorer l’efficacité de conversion non-linéaire par injection optique et de générer de nombreuses dynamiques dans des oscillateurs rétroactionnés et émettant sur différents états quantiques. Par ailleurs, le déploiement massif des systèmes cohérents mais également la conception des futures horloges atomiques sur puces nécessite l’utilisation de sources optiques à faible largeur de raie et ce afin de limiter la sensibilité de la réception au bruit de phase du transmetteur et de l’oscillateur local et induire un taux d’erreur binaire important. La conception de laser à faible largeur spectrale constitue un autre objectif de ce travail thèse. Les avantages de la technologie boites quantiques ont été mis à profit pour d’atteindre une largeur spectrale de 160 kHz (100 kHz en présence de rétroaction optique) ce qui est de première importance pour les applications susmentionnées.

Microelectronics encounter growing issues with components miniaturization. Silicon photonics offer to avoid them by taking the photon as the information carrier, but the sources are challenging to make. This thesis thus focused on the realization by vapor-liquid-solid assisted molecular beam epitaxy and the characterization by photoluminescence spectroscopy (PL) of InAs/InP quantum dots in nanowires (QD-NW) on (111) oriented silicon, with the aim of monolithic integration of light sources. Pure wurtzite InP NWs have first been vertically grown on Si(111) with a gold-indium droplet catalyst. The preliminary formation of InP pedestals by the crystallization of the droplets, and the migration of gold at the top of the pedestals to catalyze the growth, have been evidenced. The NWs diameter has then been increased so they behave as bulk InP regarding optomechanical properties. The NWs have been put under hydrostatic pressure to several GPa to determine little known InP wurtzite parameters. The growth optimization of the InAs/InP QD-NW system has then been realized. QDs with various height and very sharp interfaces have been obtained. PL studies show more or less complex spectra, according to the QDs' height, as well as a height-tunable polarization. The last goal was to enhance the efficiency of the InAs/InP QD-NWs thanks to the photonic effect brought by an amorphous silicon shell. PL studies revealed a high signal loss and the disappearance of the polarization anisotropy of the QD-NWs emission after deposition. Several hypothesis are discussed., La microélectronique rencontre des difficultés croissantes avec la miniaturisation des composants. La photonique sur silicium propose de les contourner en choisissant le photon comme vecteur de l'information, mais les sources de ces photons restent des verrous. Cette thèse s'est donc attachée à la réalisation par épitaxie par jets moléculaire en mode vapeur-liquide-solide et la caractérisation par spectroscopie de photoluminescence (PL) de boîtes quantiques en nanofils (NFs-BQ) d'InP/InAs crûs sur silicium orienté (111), dans le but d'une intégration monolithique de sources lumineuses. Des NFs d'InP de phase cristalline pure wurtzite ont d'abord été crûs verticaux sur Si(111), à partir d'un catalyseur sous forme de gouttelettes or-indium. La formation préalable d'un piédestal d'InP par la cristallisation de ces gouttelettes, ainsi que la migration de l'or au sommet de ce piédestal pour catalyser la croissance, ont été mise en évidence. Le diamètre de ces NFs a ensuite été augmenté pour qu'ils se comportent comme un matériau massif du point de vue des propriétés optomécaniques. Ils ont été soumis à une pression hydrostatique allant jusqu'à quelques GPa pour déterminer des paramètres mal connus de l'InP Wz. L'optimisation de la croissance du système NF-BQ d'InP/InAs a ensuite été réalisée. Des BQs de hauteur variable ont été obtenues, avec des interfaces très abruptes. Les études de PL sur un ensemble de NFs-BQ montrent des spectres plus ou moins complexes suivant la hauteur des BQs, ainsi qu'une polarisation de l'émission accordable avec cette hauteur. Le dernier objectif a été d'améliorer l'efficacité de l'émission des NFs-BQs d'InP/InAs grâce à l'effet photonique d'une coquille en silicium amorphe (a-Si). Les études de PL ont révélé une forte perte d'intensité de PL et la disparition de l'anisotropie de polarisation de l'émission des NFs-BQ après dépôt. Plusieurs raisons sont discutées pour expliquer ceci.

Microelectronics encounter growing issues with components miniaturization. Silicon photonics offer to avoid them by taking the photon as the information carrier, but the sources are challenging to make. This thesis thus focused on the realization by vapor-liquid-solid assisted molecular beam epitaxy and the characterization by photoluminescence spectroscopy (PL) of InAs/InP quantum dots in nanowires (QD-NW) on (111) oriented silicon, with the aim of monolithic integration of light sources. Pure wurtzite InP NWs have first been vertically grown on Si(111) with a gold-indium droplet catalyst. The preliminary formation of InP pedestals by the crystallization of the droplets, and the migration of gold at the top of the pedestals to catalyze the growth, have been evidenced. The NWs diameter has then been increased so they behave as bulk InP regarding optomechanical properties. The NWs have been put under hydrostatic pressure to several GPa to determine little known InP wurtzite parameters. The growth optimization of the InAs/InP QD-NW system has then been realized. QDs with various height and very sharp interfaces have been obtained. PL studies show more or less complex spectra, according to the QDs' height, as well as a height-tunable polarization. The last goal was to enhance the efficiency of the InAs/InP QD-NWs thanks to the photonic effect brought by an amorphous silicon shell. PL studies revealed a high signal loss and the disappearance of the polarization anisotropy of the QD-NWs emission after deposition. Several hypothesis are discussed.; La microélectronique rencontre des difficultés croissantes avec la miniaturisation des composants. La photonique sur silicium propose de les contourner en choisissant le photon comme vecteur de l'information, mais les sources de ces photons restent des verrous. Cette thèse s'est donc attachée à la réalisation par épitaxie par jets moléculaire en mode vapeur-liquide-solide et la caractérisation par spectroscopie de photoluminescence (PL) de boîtes quantiques en nanofils (NFs-BQ) d'InP/InAs crûs sur silicium orienté (111), dans le but d'une intégration monolithique de sources lumineuses. Des NFs d'InP de phase cristalline pure wurtzite ont d'abord été crûs verticaux sur Si(111), à partir d'un catalyseur sous forme de gouttelettes or-indium. La formation préalable d'un piédestal d'InP par la cristallisation de ces gouttelettes, ainsi que la migration de l'or au sommet de ce piédestal pour catalyser la croissance, ont été mise en évidence. Le diamètre de ces NFs a ensuite été augmenté pour qu'ils se comportent comme un matériau massif du point de vue des propriétés optomécaniques. Ils ont été soumis à une pression hydrostatique allant jusqu'à quelques GPa pour déterminer des paramètres mal connus de l'InP Wz. L'optimisation de la croissance du système NF-BQ d'InP/InAs a ensuite été réalisée. Des BQs de hauteur variable ont été obtenues, avec des interfaces très abruptes. Les études de PL sur un ensemble de NFs-BQ montrent des spectres plus ou moins complexes suivant la hauteur des BQs, ainsi qu'une polarisation de l'émission accordable avec cette hauteur. Le dernier objectif a été d'améliorer l'efficacité de l'émission des NFs-BQs d'InP/InAs grâce à l'effet photonique d'une coquille en silicium amorphe (a-Si). Les études de PL ont révélé une forte perte d'intensité de PL et la disparition de l'anisotropie de polarisation de l'émission des NFs-BQ après dépôt. Plusieurs raisons sont discutées pour expliquer ceci.

In the recent years, silicon has emerged as a promising host material for spin qubits. Thanks to its widespread use in modern microelectronics, silicon technology has seen a tremendous development. Realizing qubit devices using well-established complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication technology would clearly favor their large scale integration.In this thesis we present a detailed study on CMOS devices in a perspective of qubit operability.In particular we tackled the problems of charge and spin confinement in quantum dots, spin manipulation and charge and spin readout.We explored the different charge and spin confinement capabilities of samples with different sizes and geometries. Ultrascaled MOSFETs show Coulomb blockade up to room temperature with charging energies up to 200meV. Multigate devices with larger geometrical dimensions have been used to confine spins and read their states through spin-blockade as a way to perform spin to charge conversion.Spin manipulation is achieved by means of Electron Dipole induced Spin Resonance (EDSR). The two lowest valleys of silicon's conduction band originate as intra and inter-valley spin transitions; we probe a valley splitting of 36μeV. The origin of this spin resonance is explained as an effect of the specific geometry of the sample combined with valley physics and Rashba spin-orbit interaction. Signatures of coherent Rabi oscillations have been measured, with a Rabi frequency of 6MHz. We also discuss fast charge and spin readout performed by dispersive gate-coupled reflectometry. We show how to use it to recover the complete charge stability diagram of the device and the expected signal for an isolated double dot system. Finite bias changes the response of the system and we used it to probe excited states and their dynamics.; Au cours des dernières années le silicium est apparu comme un matériau hôte prometteur pour les qubits de spin. Grâce à la microélectronique moderne, la technologie du silicium a connu un formidable développement. Réaliser des qubits utilisant la technologie bien établie de fabrication CMOS de semi-conducteurs favoriserait clairement leur intégration à grande échelle.Dans cette thèse nous présentons les travaux effectués dans une perspective des qubits CMOS. En particulier, nous avons abordé les problèmes de confinement des charges et des spins dans les boîtes quantiques, la manipulation des spins et la lecture des charges et des spins.Nous avons exploré les différentes propriétés de confinement de charge et de spin dans des échantillons de tailles et de géométries différentes. Les MOSFETs de taille extrêmement réduites montrent du blocage de Coulomb jusqu'à température ambiante, avec des énergies de charges jusqu'à 200meV. Les dispositifs multi-grilles avec des dimensions géométriques plus grandes ont été utilisés pour confiner les spins et lire leur état par blocage de spin, en réalisant ainsi une conversion spin / charge.La manipulation des spins est réalisée au moyen d'un dipôle électronique induisant la résonance de spin (EDSR). Les deux plus basses vallées de la bande de conduction du silicium sont visibles sous forme de transitions de spin intra et inter-vallées. Nous observons une levée de dégénérescence de vallée d'amplitude 36μeV. La résonance de spin que l'on observe résulte de la géométrie spécifique de l'échantillon, de la physique des vallées et de l'interaction spin-orbite de type Rashba. Des signatures de manipulation cohérente, sous forme d'oscillations de Rabi, ont été mesurées, avec une fréquence de Rabi de 6MHz. Nous discutons également de la lecture rapide des charges et des spins effectuée par réflectométrie dispersive couplée à la grille. Nous montrons comment l'utiliser pour reconstruire le diagramme de stabilité de charge du dispositif et le signal attendu pour un système à double boîte isolé. La tension de polarisation finie modifie la réponse du système et nous l'avons utilisée pour sonder les états excités et leur dynamique.

We present a theoretical study of low temperature nonequilibrium transport through an interacting quantum dot in the presence of Zeeman magnetic field and current injection into one of its leads. By using a self-consistent renormalized equation of motion approach, we show that the injection of a spin-polarized current leads to a modulation of the Zeeman splitting of the Kondo peak in the differential conductance. We find that an appropriate amount of spin accumulation in the lead can restore the Kondo peak by compensating the splitting due to magnetic field. By contrast when the injected current is spin-unpolarized, we establish that both Zeeman-split Kondo peaks are equally shifted and the splitting remains unchanged. Our results quantitatively explain the experimental findings reported in KOBAYASHI T. et al., Phys. Rev. Lett. 104, 036804 (2010). These features could be nicely exploited for the control and manipulation of spin in nanoelectronic and spintronic devices., 6+ pages; 3 figures; final version

We present a theoretical study of the optical properties of a dense ensemble of resonant dipoles. We consider two particular cases: scattering of light by cold atomic clouds and electroluminescence by a thin film of colloidal quantum dots (cQDs) placed in the vicinity of a plasmonic metasurface. By numerically varying the atomic density, we have shown that light scattering by an atomic cloud gradually moves from a purely diffusive regime towards a partially diffractive and diffusive one. This property makes an atomic cloud an interesting system to study resonant light scattering. It has been found that light scattering is no longer due to single atom scattering but due to collective modes extended throughout the sample. These microscopic modes can be identified with the modes of Maxwell's equations for an object with the same shape and an effective refractive index. We have studied the onset of the homogenization regime, namely the suppression of diffuse light. Against all odds, an atomic cloud, with a refractive index at resonance that is comparable to that of a metal, never reaches the homogenization regime and thus continues to scatter light. Finally, we have also studied the electroluminescence of a dense film of cQDs. We propose a model for electroluminescence from cQDs located close to a plasmonic metasurface.; Nous présentons une étude théorique des propriétés optiques d'un ensemble dense de dipôles résonants. Nous traitons deux cas particuliers: la diffusion de la lumière par des nuages d'atomes froids et l'électroluminescence par un film de boîtes quantiques colloïdales (BQCs) placées au voisinage d'une métasurface plasmonique. En faisant varier progressivement la densité atomique, nous avons montré que la diffusion de la lumière passe d'un comportement purement diffusif à un comportement mixte comportant à la fois de la diffraction par une particule effective homogène et de la diffusion. Il en ressort que les nuages d'atomes froids sont des systèmes intéressants pour étudier la diffusion de la lumière résonante. Nous avons montré que la lumière n'est plus due à la diffusion par des atomes individuels mais à l'effet de modes collectifs étendus dans tout l'objet. Ces modes microscopiques peuvent être identifiés à des modes des équations de Maxwell pour des objets ayant la même forme et un indice effectif. Nous avons étudié l'apparition du régime d'homogénéisation, c'est-à-dire de la suppression de la partie diffuse. De façon surprenante, un nuage atomique, dense au point d'avoir à résonance un indice comparable à celui d'un métal, continue à diffuser fortement la lumière. Finalement, nous avons étudié l'émission de lumière d'un film dense de BQCs. Nous introduisons un modèle de l'électroluminescence de BQCs placées près d'une métasurface plasmonique.

We investigate here the heteroepitaxy of silicon-germanium (SiGe), a system which is commonly regarded as the stereotype of semiconductor epitaxy. While this system has already attracted a tremendous amount of attention due to its applications for band-gap engineering in microelectronic industry, the major challenge facing the development of new SiGe-based devices remains the con- trollable epitaxial growth of self-assembled nanostructures. It is well-known that SiGe follows a Stranski-Krastanov growth mode, which proceeds via the growth of bi-dimensionnal layers followed by the growth of three-dimensional islands. Under this generic “Stranski-Krastanov” designation, several different behaviors can be identified. An overall understanding of all these behavior is still partially missing due to the complexity and the interplay of kinetics and energetic driving forces, preventing the development of new devices.In this work we focus on the self-assembly of SiGe nanostructures following the quest of light emission for integrated Si-based photonic, optoelectronic and nanoelectronic devices.Even if the innovation in Si-based devices has been boosted recently by the development of ultra-thin body fully depleted silicon on insulator transistors, a real breakthrough would be the demonstration of light emission and/or absorption by group IV elements since it allows the conve- nient integration into the nowadays semiconductors.In this work we first demonstrate the different growth regimes of strained films, i.e. instability versus nucleation regimes. We develop a model which resolves the race of these two growth pathways and unveil the mechanisms of different modes of morphological evolution driven by elasticity.In the second part, we examine in details the natural self-organisation of coherent islands. The direct elastic effect induces repulsion between coherent islands. However, the strain-dependent surface energy which has been overlooked previously in analysis of the island-island interaction is revealed to cause an attraction between islands. It may compensate the direct elastic repulsion during the initial state of nucleation and lead to the clustering of coherent islands.In a third part we study the influence of miscut steps of vicinal substrate on the formation and self-organisation of islands. We demonstrate that the strain relaxation anisotropy produced by the step edges, is at the origin of the instability elongation perpendicular to steps. Quantitative agreement between the instability elongation and the anisotropy of strain relaxation is found, which deepens the understandings of hetero-epitaxial growth on vicinal substrate.In the fourth part we develop a new process based on Ge condensation during thermal oxidation of dilute SiGe. The kinetics of SiGe condensation process is investigated and the fully strained SiGe epilayer is fabricated via this particular condensation process. This process can be applied in fabrication of SiGe core-shell nanostructures, for which the direct deposition and growth process is found to be cumbersome in terms of the control of morphology and composition.As a whole, we studied the nanostructures of SiGe driven by its hetero-epitaxial elasticity. We proposed a model to compare two pathways of morphological evolution of SK growth and unearthed the mechanisms of the race and transition. We studied kinetics of island nucleation under the impact of elastic filed produced by an existing island. The peculiar role of strain-dependent surface energy is highlighted. Then the elasticity anisotropy induced by miscut steps on vicinal substrate is studied theoretically and experimentally. This anisotropy effectively induces the elongation of islands in one direction to form nanowires in good alignment. Then the kinetics of condensation of SiGe is studied, which is found to be an effective method in fabricating strained SiGe nanostructures.; Nous étudions ici l’heteroepitaxie du silicium-germanium (SiGe), un système qui est couramment considéré comme le stéréotype de l’´épitaxie des semi-conducteurs. Bien que ce système ait déjà attiré une attention considérable en raison de ses applications pour l’ingénierie des bandes dans l’industrie microélectronique, le défi majeur du développement de nouveaux dispositifs à base de SiGe reste la croissance épitaxiale contrôlable des nanostructures auto-assemblées. Il est bien connu que SiGe suit un mode de croissance de Stranski-Krastanov, qui passe par la croissance de couches bidimensionnelles suivie par la croissance d’ılots tridimensionnels. Sous cette dénomination générique ”Stranski-Krastanov”, plusieurs comportements différents peuvent être identifiés. Une compréhension globale de tous ces comportements est encore partiellement manquante en raison de la complexité et de l’interaction de la cinétique et des forces motrices dynamiques, empêchant le d´développement de nouveaux dispositifs. Dans ce travail, nous nous concentrons sur l’auto- assemblage des nanostructures SiGe à la suite de la quête de l’émission de lumière pour les dispositifs photoniques, optoélectroniques et nanoélectroniques à base de Si. Par Même si l’innovation dans les dispositifs à base de Si a été stimulée récemment par le d´développement de silicium complétement épuisé sur les transistors isolants, une véritable percée serait la démonstration de l´émission de lumière et / ou l’absorption par les éléments du groupe IV, car il permet une intégration pratique dans les semi-conducteurs actuels. Dans ce travail, nous montrons d’abord les différents régimes de croissance des films contraints, c’est-à-dire l’instabilité par rapport aux régimes de nucléation. Nous d´développons un modèle qui résout la course de ces deux voies de croissance et d´dévoile les mécanismes des différents modes d’évolution morphologique entrainés par l’élasticité. Dans la seconde partie, nous examinons en détail l’auto-organisation naturelle des îles cohérentes. L’effet élastique direct induit la répulsion entre les îles cohérentes. Cependant, l’énergie de surface dépendant de la déformation qui a été négligée précédemment dans l’analyse de l’interaction île-île est révélée pour provoquer une attraction entre les iles. Il peut compenser la répulsion élastique directe au cours de l´état initial de la nucléation et conduire au regroupement d’îlots cohérents. Dans une troisième partie, nous étudions l’influence des échelons du substrat vicinal sur la formation et l’auto-organisation des îles. Nous démontrons que l’anisotropie de relaxation de la contrainte produite par les bords des gradins est à l’origine de l’allongement de l’instabilité perpendiculaire aux marches. Un accord quantitatif entre l’allongement de l’instabilité et l’anisotropie de relaxation de la souche est trouvé, ce qui approfondit les compréhensions de la croissance hétéroépitaxiale sur le substrat vicinal. Dans la quatrième partie, nous développons un nouveau procédé basé sur la condensation Ge lors de l’oxydation thermique du SiGe dilué. On étudie la cinétique du procédé de condensation SiGe et on fabrique la couche épandeuse de SiGe totalement contrainte par ce procédé de condensation particulier.

Combining high sensitivity with simultaneous analysis of numerous biomarkers (multiplexing) is an essential requirement for significantly improving the field of biomedical diagnostics. Such progresses would allow earlier diagnosis, which is required for numerous diseases such as cancer or cardiac diseases. FRET-immunoassays are based on biomolecular recognition events that occur between biomarkers and two specific antibodies conjugated with different fluorophores. The spatial proximity of the two fluorophores can lead to Förster resonance energy transfer (FRET), which can be detected for biomarker quantification. To date, such assays are established using lanthanide complexes as FRET donors and fluorescence dyes as FRET acceptors. However, these assays do not provide sufficient multiplexing capability due to spectral overlap, when several acceptor dyes are used. This project aims at exploiting the exceptional photophysical properties of terbium complexes (Tb) and semiconductor quantum dots (QDs) to provide ultrasensitive multiplexed FRETimmunoassays. We also studied the optical and morphological properties of novel core and core/shell upconverting nanoparticles doped with ytterbium (Yb) and erbium (Er) ions as possible FRET-donors for biosensing., La haute sensibilité et l’analyse simultanée de plusieurs biomarqueurs (multiplexage) sont des enjeux essentiels pour permettre des avancées significatives pour le diagnostic médical. De telles avancées permettraient d’augmenter la précocité des diagnostics pour de nombreuses maladies comme le cancer ou des maladies cardiaques. Les immunodosages de FRET (transfer d’énergie par resonance de type Förster) sont basées sur la reconnaissance de biomarqueurs par des anticorps marqués avec des fluorophores et le FRET qui résulte du processus de reconnaissance immunologique. Aujourd’hui des telles immunodosages sont établis en utilisant des lanthanides comme donneurs de FRET et des fluorophores organiques comme accepteurs de FRET. Néanmoins, ils ne permettent pas de réaliser un multiplexage efficace car l’utilisation de plusieurs différents fluorophores organiques résulte dans un recouvrement spectral. Ce projet a pour but de mettre en application les propriétés optiques exceptionnelles des complexes de terbium (Tb) et des boîtes quantiques (QDs) pour parvenir à des analyses biologiques de FRET multiplexées et ultrasensibles. Nous avons également étudié les propriétés optiques et morphologiques de nouvelles nanoparticules à conversion ascendante de type coeur et coeur/coquille dopées à l'ytterbium (Yb) et des ions d'erbium (Er) comme donneurs de FRET.

Single semiconductor quantum dots, which are considered as two-level systems in the artificial atom model, are promising structures for the realization of integrated devices such as single photon sources for quantum information applications. However, contrary to genuine atoms, they are condensed matter systems which suffer from the coupling to their solid environment, leading to a degradation of the coherence of the emitted photons. One possibility to avoid this coupling, thereby improving the coherence of the photons until the one imposed by the radiative limit T2 = 2T1, is to perform strictly resonant excitation of a quantum dot at low temperature. Using an experimental setup that spatially decouples the excitation and detection paths, we showed that a fine control of the electrostatic environment related to the nanostructures residual doping remains a major challenge to answer the widely encountered problem of the inhibition of the resonance fluorescence of a quantum dot. Meanwhile, thanks to quantum optics experiments and high resolution optical spectroscopy, we demonstrated that the resonant Rayleigh scattering regime where quantum dots emit single photons with the laser coherence time, paves the way to the development of "ultra-coherent" sources of single photons with high degrees of indistinguishability. In this regime where the laser tailors the coherence of the photons and where the radiative limit becomes a secondary requirement, two photons emitted successively by the same quantum dot are indistinguishable on time scales never obtained before for a solid nano-emitter (up to ten nanoseconds, comparing to the carriers lifetime and decoherence time of about a hundred of picoseconds).; Les boîtes quantiques uniques de semiconducteurs, qui sont considérées comme des systèmes à deux niveaux dans le modèle de l’atome artificiel, sont des structures prometteuses pour la réalisation de dispositifs intégrés tels que des sources de photons uniques pour des applications en information quantique. Cependant, contrairement à de véritables atomes, ce sont des systèmes de matière condensée qui souffrent du couplage à leur environnement solide, conduisant à une dégradation de la cohérence des photons émis. Une façon d’éviter ce couplage, et ainsi d’améliorer la cohérence des photons jusqu’à celle imposée par la limite radiative T2=2T1, est d’exciter une boîte quantique strictement à la résonance à basse température. A l’aide d’un montage expérimental permettant de découpler spatialement les chemins d’excitation et de détection, nous avons montré qu’un contrôle fin de l’environnement électrostatique lié au dopage résiduel de ces nanostructures reste néanmoins un enjeu majeur pour répondre au problème largement rencontré de l’inhibition de la fluorescence de résonance des boîtes quantiques. Parallèlement, grâce à des expériences d’optique quantique et de spectroscopie optique de haute résolution, nous avons montré que le régime de diffusion Rayleigh résonnante, où les boîtes quantiques émettent des photons uniques ayant le temps de cohérence du laser d’excitation, constitue une voie originale pour l’élaboration de sources "ultra-cohérentes" de photons uniques présentant de forts degrés d’indiscernabilité. Dans ce régime où le laser contrôle la cohérence des photons et où la limite radiative devient alors une contrainte secondaire, deux photons émis successivement par une même boîte quantique restent indiscernables sur des échelles de temps jamais obtenues auparavant pour un nano-émetteur solide (jusqu’à une dizaine de nanosecondes, à comparer aux temps de vie et de décohérence des porteurs dans une boîte quantique de l’ordre de la centaine de picosecondes).