Mid-Infrared Detectors and THz Devices Operating in the Strong Light-Matter Coupling Regime

par Pierre-Baptiste Vigneron

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Raffaele Colombelli.

  • Titre traduit

    Détecteurs moyen infrarouge et dispositifs THz en régime de couplage fort entre lumière et matière


  • Résumé

    Les polaritons inter-sous-bandes, observés pour la première fois il y a une quinzaine d’années, sont des quasi-particules dont de nombreuses propriétés restent encore à découvrir. La recherche dans ce domaine se focalise actuellement sur la réalisation de condensats de Bose-Einstein. Une telle découverte pourrait révolutionner l’optoélectronique du moyen infra-rouge jusqu’au THz ouvrant la voie à l’instauration de nouveaux concepts de sources lumineuses,de détecteurs ou de systèmes logiques en couplage fort. Dans cette quête, le choix de la cavité résonnante est critique. Dans ce manuscrit nous proposons d’utiliser des cavités métal-isolant-métal (M-I-M) avec un réseau dispersif sur le métal supérieur. Ce type de cavité,conservant un confinement élevé entre les deux plans métalliques, offre de nombreuses possibilités d’ajustement de la résonance de cavité : via la géométrie de la cavité ( épaisseur de la cavité, période et recouvrement du réseau) ainsi que par le couplage de la lumière avec la cavité (vecteur d’onde incident). Les cavités M-I-M dispersives ouvrent donc un nouveau champ d’exploration des polaritons inter-sous-bande. Dans un premier temps nous avons introduit ces cavités dans le domaine du THz afin d’étudier les phénomènes de relaxation polariton-polariton. Un système expérimental dédié à cette exploration a été conçu pour mesurer la réflectivité des polaritons THz avec une fine résolution en angle. Dans une second temps, des capteurs moyen infrarouge en couplage fort avec une cavité M-I-M dispersive ont été conçus, fabriqués et mesurés dans le but d’explorer la génération de photo-courant à partir de polaritons et d’utiliser le couplage fort pour dissocier l’ énergie de détection de l’énergie d’activation. Cette seconde étude s’inscrit dans l’objectif de pompage électrique des polaritons ISB. Parallèlement à l’étude des polaritons, nous avons également participé au développement de techniques(interféromètre Gires-Tournois et revêtement anti-réflection) pour compresser les impulsions optiques de lasers à cascade quantique THz.


  • Résumé

    After fifteen years of intersubband polaritons development some of the peculiar properties of these quasi-particles are still unexplored. A deeper comprehension of the polaritons is needed to access their fundamental properties and assess their applicative potential as efficient emitters or detectors in the mid-infrared and THz.In this manuscript we used Metal-Insulator-Metal (MI-M) cavities with a top metal periodic grating as a platform to deepen the understanding of ISB polaritons.The advantages of M-I-M are twofold : first they confine the TM00 mode, second the dispersion of the cavity -over a large set of in-plane wave-vectors- offers various experimental configurations to observe the polaritons in both reflection and photo-current. We reexamined the properties of ISB polaritons in the mid-infrared and in the THz using these resonators. In the first part, we explore the implementation of dispersive M-I-M cavities with THz intersubband transitions. In the THz domain, the scattering mechanisms of the THz ISB polaritons need to be understood. The dispersive cavity is a major asset to study these mechanisms because it provides more degrees of freedom to the system. For this purpose, we fabricated a new experimental set-up to measure the polariton dispersion at liquid Helium temperature. After the characterization of the polaritons in reflectivity, a pump-probe experiment was performed on the polaritonic devices. The second part of this manuscript presents the implementation of M-I-M dispersive cavities with abound-to-quasi-bound quantum well infrared photo detector designed to detect in strong coupling. Beyond electrical probing of the polaritons, the strong coupling can disentangle the frequency of detection from the thermal activation energy and reduce the dark current at a given frequency. In parallel to the exploration of THz polaritons, we developed two techniques (Gires-Tournois Interferometer and Anti-reflection coating) in order to shorten the pulses of THz quantum cascade lasers with metal-metal waveguides.


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