Probing the dynamic properties of semiconductor optical microcavities by time-resolved optical spectroscopy
Étude des propriétés dynamiques de microcavités semiconductrices par spectroscopie optique résolue en temps
Résumé
Semiconductor microcavities constitute a major workhorse for quantum photonics. Quantum cavity effects such as the enhancement of the spontaneous emission rate of embedded artificial atoms (known as Purcell effect) are already harnessed in efficient single photon sources. Additionally, the ultrafast tuning of cavity properties through the injection of charge carriers has opened appealing novel perspectives, such as the adiabatic frequency translation of trapped light, or the dynamic control of emitter-cavity detuning and cavity effects. In this work, we investigate some dynamic properties of cavities and coupled cavity-quantum dot systems with resolution on the few picoseconds time scale. We perform cavity-ring down experiments on planar GaAs/AlAs cavities and confirm that very large quality factors Q around 300000 can be obtained using an original design involving a very large spacer layer. We also highlight the detrimental effect of lateral thickness gradients, which lead to a non-exponential relaxation of the cavity mode. We bring also new light on the free-carrier switching of pillar microcavities. Using a focused pump beam, we observe much different specific behaviors for various modes and reveal a transient crossing of two sets of modes when the perturbation preserves the cylindrical symmetry of the cavity. Finally, we explore the transient coupling of a switched cavity mode with quantum dots and investigate the experimental signatures of this “on-off” switching of the Purcell effect, including the generation of few picoseconds-long pulses of spontaneous emission. We discuss the medium-long term impact of this work in the field of quantum photonics.
Les microcavités semiconductrices constituent une ressource majeure pour la photonique quantique. Des effets quantiques de cavité tels que l'exaltation de l'émission spontanée d'atomes artificiels en cavité (un effet connu sous le nom d'effet Purcell) sont déjà exploités dans de nouveaux composants tels que les sources de photon uniques. De plus, la modification ultra-rapide des propriétés des cavités via l'injection de porteurs de charge a ouvert de nouvelles perspectives séduisantes, telles que la conversion adiabatique de fréquence de la lumière piégée dans la cavité, ou encore le contrôle dynamique du désaccord spectral entre un émetteur et un mode, et des effets quantiques induits par la cavité. Au cours de cette thèse, nous avons étudié quelques propriétés dynamiques de microcavités vides ou contenant des boîtes quantiques, avec une résolution temporelle de l'ordre de quelques picosecondes. Nous explorons la relaxation d'une cavité planaire GaAs/AlAs après une excitation impulsionnelle et montrons qu'un dessin de cavité original permet d'obtenir un très grand facteur de qualité de l'ordre de 300000. Nous mettons aussi en évidence l'impact délétère de gradients latéraux d'épaisseur, en présence desquels la relaxation de la cavité n'est plus exponentielle. Nous apportons par ailleurs un éclairage nouveau sur la commutation ultrarapide de micropilier par photoinjection de porteurs libres. En utilisant un faisceau de pompe focalisé, nous observons des comportements très différents d'un mode à l'autre. En particulier, nous mettons en évidence un croisement et une inversion transitoire de l'ordre de deux familles de modes lorsque la perturbation préserve la symétrie cylindrique de la microcavité. Enfin, nous explorons le régime de couplage transitoire entre des boîtes quantiques et un mode de cavité dont la fréquence change au cours du temps. Nous étudions les signatures expérimentales de la commutation de l'effet Purcell, y compris la génération d'une impulsion d'émission spontanée de quelques picosecondes. Nous discutons les retombées à moyen-long terme de ces travaux dans le domaine de la photonique quantique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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