Quantum fluids of light for integrated photonics : Waveguide polariton devices
Fluides quantiques de lumière pour la photonique intégrée : dispositifs à polaritons guidés
Résumé
The interactions between excitons, which are bosonic particles composed of an elec-tron and a hole bound by Coulomb interaction, and photons are greatly enhanced in waveguides where light is confined by total internal reflection. When the interaction is strong enough, the regime of strong coupling between the photonic mode of the guide and the excitonic resonance of the active layer is achieved, creating a quasi-particle known as an exciton-polariton, or simply polariton. These quantum fluids of light are attracting interest due to their potential applications in optoelectronics, particularly in so-called polariton lasers. With this in mind, this thesis focuses on the study, using spectroscopic methods, of polariton laser structures based on gallium nitride (GaN) in the waveguide geometry, which presents interesting specificities compared to the deeply investigated vertical cavity geometry. The main results of this work are (i) the demonstration of a polariton laser operating continuously at low temperature (70K). This laser exhibits an original mode of operation, resulting from the non-reciprocity between absorption and stimulated emission in the active layer. The significant gain allows for efficient operation on very short cavities, such as the 20μm-long cavities used in this study. Furthermore, a pump length of only 15% of the cavity length is suffi-cient to achieve the laser effect, clearly distinguishing these polariton lasers from con-ventional semiconductor lasers that require pumping a large portion of the laser cavity with a homogeneous active medium for gain to overcome losses; (ii) the observation, by extending our study to T=150K, of a transition in laser regime with a multimode character on a longer cavity of 60µm. Modeling of the measured spectra leads to the conclusion that this emission is pulsed, thanks to the formation of cavity solitons through mode locking induced by the nonlinear interactions between polaritons; (iii) preliminary electrical injection measurements in waveguides with doped injection lay-ers, following the implementation of a new electroluminescence experimental setup independent of that of optical spectroscopy.
Les interactions entre les excitons, particules bosoniques composées d'un électron et d'un trou liés par l'interaction coulombienne, et les photons sont grandement améliorés dans les guides d'ondes où la lumière est confinée par réflexion totale interne. Lorsque l’interaction est suffisamment importante, le régime de couplage fort entre le mode photonique du guide et la résonance excitonique de la couche active est atteint, créant ainsi une quasi-particule connue sous le nom d'exciton-polariton, ou simplement polariton. Ces fluides quantiques de lumière suscitent un grand intérêt en raison de leur potentiel d'applications en optoélectronique, en particulier dans les lasers dits à polaritons. Dans cette optique, cette thèse se focalise sur l’étude, par des méthodes de spectroscopie, de structures lasers à polaritons en géométrie guide d’onde à base de nitrure de gallium (GaN), qui présentent des spécificités intéressantes en comparaison de leurs homologues en géométrie de cavité verticale intensément étudiées. Les principaux résultats de ce travail sont (i) la démonstration d'un laser à polaritons fonctionnant en régime continu à basse température (70K). Ce laser présente un mode de fonctionnement original, qui résulte de la non-réciprocité entre absorption et émission stimulée dans la couche active. Le gain significatif permet un fonctionnement efficace sur des cavités très courtes, comme celles de 20μm utilisées dans cette étude. De plus une longueur de pompe de seulement 15% de la longueur de cavité suffit pour atteindre l’effet laser, ce qui distingue clairement ces lasers à polaritons des lasers semi-conducteurs conventionnels exigeant un pompage d'une grande partie de la cavité laser par un milieu actif homogène pour que le gain l’emporte sur les pertes ; (ii) l'observation, en étendant notre étude à T=150K, d'une transition de régime laser avec un caractère multimode sur une cavité plus longue de 60µm. La modélisation des spectres mesurés permet de conclure que cette émission est impulsionnelle, grâce à la formation de solitons de cavité par un blocage de modes induit par les interactions non-linéaires entre les polaritons ; (iii) des mesures préliminaires d’injection électrique dans des guides d’onde avec couches d’injection dopées, suite à la mise en place d'un nouveau dispositif expérimental d'électroluminescence indépendant de celui de la spectroscopie optique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)