Optoelectronic quantum devices for ultra-strong light-matter interaction at mid-infrared wavelengths - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2012

Optoelectronic quantum devices for ultra-strong light-matter interaction at mid-infrared wavelengths

Dispositifs quantiques en régime de couplage ultra-fort lumière-matière pour l'optoélectronique dans le moyen infrarouge

Abstract

This work focuses on the realization of quantum devices operating in the strong coupling regime between an excitation of an electron gas in a semi- conductor quantum well and a cavity mode in the mid infrared. The quasi- particules issued from this light-matter coupling are called "intersubband po- laritons". The first part of this manuscript is dedicated to the study of an electrolu- minescent device based on a quantum cascade structure inserted in a planar microcavity. By means of a detailed analysis of the electroluminescence spec- tra at different voltages, I demonstrate that in this system the polariton states are resonantly populated, at energies depending on the applied bias. The ex- perimental results are analyzed and interpreted by using a model giving the dependence of the electroluminescent spectra on the properties of the injector of the quantum cascade structure. In order to increase the selectivity of the injection and observe an enhance- ment of the spontaneous emission, metal-dielectric-metal cavities are designed and realized in the second part of this work. In this cavities, light is confined in a highly subwavelength semiconductor layer. The top gold mirror is pat- terned into a grating, whose parameters determine the properties of the cavity modes. Two regimes are identified: one in which the cavity mode is coupled to a surface plasmon mode and one in which it presents a flat energy dispersion. By inserting doped quantum wells in a cavity of this second type, the strong and ultra-strong light-matter coupling regimes are demonstrated up to room temperature. The important value of the Rabi splitting and the high polari- tonic density of states achievable in this cavity makes it a promising candidate to realize efficient mid infrared electroluminescent devices operating without electronic population inversion.
Ce travail porte sur la réalisation de dispositifs quantiques fonctionnant en régime de couplage fort entre une excitation d'un gaz d'électrons dans un puits quantique semiconducteur et un mode de cavité dans le moyen infra- rouge. Les quasi-particules issues de ce couplage lumière-matière sont appelées "polaritons intersousbande". La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude d'un dis- positif électroluminescent basé sur une structure à cascade quantique in- sérée dans une microcavité planaire. Par une analyse détaillée des spectres d'électroluminescence à différents voltages, je démontre que les états de po- laritons sont peuplés de façon résonante, à une énergie qui dépend du voltage appliqué à la structure. Les résultats expérimentaux sont analysés et in- terprétés à l'aide d'un modèle reliant les spectres d'électroluminescence aux propriétés de l'injecteur de la structure à cascade. Pour augmenter la sélectivité de l'injection et observer ainsi une exaltation de l'émission spontanée, un nouveau type de cavité est développé dans la sec- onde partie de ce travail. Il s'agit d'une cavité basée sur un confinement plas- monique, dans laquelle la lumière est confinée entre deux plans métalliques, dans une épaisseur très inférieure à la longueur d'onde. Le miroir supérieur est façonné en réseau. L'influence des différents paramètres du réseau est étudiée et deux régimes sont mis en évidence: un régime où le mode de cavité se couple à un mode de plasmon de surface et un régime où le mode de cavité ne présente pas de dispersion en énergie. En insérant des puits quantiques dopés dans une cavité de ce deuxième type, les régimes de couplage fort puis de couplage ultra-fort lumière-matière sont démontrés jusqu'à température ambiante. La valeur importante du dédoublement de Rabi et la forte densité d'états polaritoniques obtenues dans ce type de cavité en font un candidat très prometteur pour la réalisation de dispositifs électroluminescents infrarouges de grande efficacité radiative et fonctionnant sans inversion de population.
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Dates and versions

tel-00700819 , version 1 (24-05-2012)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00700819 , version 1

Cite

Pierre Jouy. Optoelectronic quantum devices for ultra-strong light-matter interaction at mid-infrared wavelengths. Other [cond-mat.other]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00700819⟩
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