Contrôle de l’émission dans la bande télécom O de nanotubes de carbone individuels couplés à une micro-cavité fibrée

The goal of this thesis is to build a single photon source tunable in telecom O-band based on carbon nanotube as emitters. These self-assembled nanostructures are easy to produce, usable at room temperature and, they can be electrically stimulated. In addition, their photoluminescence extraction is not limited by internal reflections. However, their emission is very sensitive to their environment and their quantum yield is quite low. It is crucial to understand the interaction between nanotubes and their surroundings to design a stable source in terms of wavelength and intensity. To this end, the low temperature photoluminescence of single carbon nanotubes was studied by super-resolved hyper-spectral imaging. This experiment highlights the localization of excitons along the nanotube in potential wells induced by tiny variations of the local dielectric permittivity. In addition, theses wells have been probed by quasi-resonant excitation which shows a quenching of the free 1D exciton and preferential absorption via localized excited levels. In order to get a competitive single photon source, the emitters are coupled to an optical micro-cavity to improve, thanks to Purcell effect, the directionality of the sources and their quantum yield. An open Fabry-Pérot cavity has been chosen to tune the cavity spatially and spectrally with the emitter and to study their coupling with high accuracy by comparing the emission in free space with the one in cavity. Since the Purcell factor is proportional to the inverse the effective mode volume, the cavity size is shrunk by machining one of its two mirror on the apex of an optical fiber at the micrometric scale. In this configuration, the emission can be collected directly thanks to the guided fiber mode. In order for the mechanical vibrations to interfere as little as possible with the measurements, particular care has been taken in stabilizing the device. Thus, the emission rates of carbon nanotubes has been increased by a factor of 14 for a coupling constant of about 30 µeV. The large tunability range has let us verify the Purcell factor and coupling behaviors as a function of the mode volume. Moreover, it has allowed for exploring an original phenomenon of cavity quantum electrodynamics: the tripartite coupling exciton/cavity/phonons. This experimental device could also be used for absorption measurements on carbon nanotubes or for studying other types of emitters such as quantum dots, defects in two-dimensional materials, colored centers or single molecules.L'objectif de cette thèse est de réaliser une source de photons uniques accordable dans la bande télécom O en utilisant comme émetteurs des nanotubes de carbone. Ces nano-structures auto-assemblées sont faciles à produire, contactables électriquement et utilisables à température ambiante. De plus, l'extraction de leur photoluminescence n'est pas limitée par des réflexions internes. Leur émission est néanmoins extrêmement sensible à leur environnement et leur rendement quantique est assez faible. Pour concevoir une source stable en longueur d'onde et en intensité, il est crucial de comprendre l'interaction des nanotubes avec l'environnement. Dans ce but, la photoluminescence à basse température de nanotubes de carbone individuels a été étudiée par imagerie hyper-spectrale super-résolue. Cette expérience met en relief la localisation des excitons le long du nanotube dans des puits de potentiels induits par les inhomogénéités de permittivité diélectrique de l'environnement. En outre, en sondant ces puits par une excitation quasi-résonante, une disparition de la transition propre à l'exciton libre et une absorption privilégiée via des niveaux excités localisés sont observées. Pour obtenir une source de photons uniques performante, les émetteurs sont couplés à une cavité optique micro-métrique pour améliorer, grâce à l'effet Purcell, la directionnalité de l'émission et son efficacité quantique. Une géométrie de cavité Fabry-Pérot ouverte a été choisie pour bénéficier d'une flexibilité maximale concernant l'accord spatial et spectral et pour pouvoir analyser les effets le plus finement possible grâce à une comparaison de l'émission en espace libre et en cavité pour le même nano-émetteur. Le facteur de Purcell étant proportionnel à l'inverse du volume de mode, la cavité est miniaturisée en usinant l'un de ses deux miroirs à l'échelle micrométrique sur l'extrémité d'une fibre optique. Cette configuration permet aussi de collecter directement l'émission via le mode guidé dans la fibre. Pour que les vibrations mécaniques brouillent le moins possible les mesures, un soin particulier a été apporté à la stabilisation de cette cavité. Ainsi, le taux d'émission des nanotubes a pu être augmenté d'un facteur 14 pour une constante de couplage d'environ 30 µeV. La grande plage d'accordabilité de la cavité a permis de vérifier l'évolution du facteur de Purcell et du couplage en fonction du volume de mode et d'explorer un phénomène original d'électrodynamique quantique en cavité : le couplage tripartite exciton/cavité/phonons. Ce dispositif expérimental pourrait être aussi appliqué à des mesures d'absorption sur les nanotubes de carbone ou à l'étude d'autres types d'émetteurs tels que les boîtes quantiques, les défauts dans les matériaux bidimensionnels, les centres colorés ou encore les molécules uniques