Hybrid quantum well polariton optomechanics
Optomécanique hybride avec polaritons à puits quantiques
Résumé
Hybrid optomechanics is a field of research at the crossroads of optics, quantum electro- dynamics, and mechanical micro-devices. This thesis deals with the design, fabrication, and measurement of hybrid optomechanical resonators: gallium arsenide (GaAs) disks. These resonators form a trinity: they have high frequency (GHz) mechanical modes, high-quality optical whispering gallery modes (WGMs), and excitonic modes associated with the in- integration of gallium/indium arsenide (InGaAs) multiple quantum well structures in the disk plane. The confinement in a sub-micron volume of the optical and excitonic modes results in a situation of strong exciton-photon coupling. The system thereupon hosts light-matter hybrid quasiparticles: polaritons, which share both exciton and photon properties. In such a resonator, the usual optomechanical coupling mechanisms are complemented by mechanical effects mediated by charge carriers. Owing to the large exciton-phonon coupling, polariton-phonon interactions can greatly outperform optomechanical coupling. We present a theoretical model constructed to describe this tripartite (photon-phonon-exciton) system and estimate the strength of the effective optomechanical coupling in our disk ar- architecture. We present the technological and design developments that have allowed us to perform experiments with these resonators. We analyze sources of optical, mechanical, and excitonic dissipation. We present optical experiments demonstrating the generation of polaritons in our structure, in agreement with a Hopfield model expressed exactly for gallery mode disk resonators. Finally, we present the first optomechanical experiments performed on the hybrid platform. We conclude the discussion with a perspective.
L'optomécanique hybride est un domaine de recherche au carrefour de l'optique, de l'électrodynamique quantique et des micro-dispositifs mécaniques. Ce travail de thèse porte sur la conception, la fabrication et la mesure de résonateurs optomécaniques hybrides : des disques en arséniure de gallium (GaAs). Ces résonateurs forment une trinité : ils possèdent des modes mécaniques à haute fréquence (GHz), des modes optiques de galerie à haut facteur de qualité, et des modes excitoniques associés à l'intégration de structures à puits quantiques multiples en arséniure de gallium/indium (InGaAs) dans le plan du disque. Le confinement dans un volume sub-micronique des modes optiques et excitoniques aboutit à une situation de couplage fort exciton-photon. Le système accueille alors des quasi-particules hybrides lumière-matière : les polaritons, qui partagent à la fois les propriétés des excitons et des photons. Dans un tel résonateur, les mécanismes de couplage optomécanique usuels sont complétés par des effets mécaniques médiés par les porteurs de charge. En raison de l'importance du couplage exciton-phonon, les interactions polariton-phonon peuvent large-ment surpasser le couplage optomécanique. Nous présentons un modèle théorique construit pour décrire ce système à trois pôles (photon-phonon-exciton) et estimons la force du couplage optomécanique effectif dans notre architecture de type disque. Nous présentons les développements technologiques et de conception qui nous ont permis la réalisation d'expériences avec ces résonateurs. Nous analysons sources de dissipation optique, mécanique et excitonique. Nous présentons des expériences optiques démontrant la génération de polaritons dans notre structure, en accord avec un modèle de Hopfield exprimé exactement pour les résonateurs en disque à modes de galerie. Enfin, nous exposons les premières expériences optomécaniques réalisées sur la plateforme hybride. Nous terminons la discussion par une prospective.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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