Résonateur optique à base de phonons-polaritons de surface, application à la photo-détection.

par Manon De Gaillande

Projet de thèse en Optique, optoélectronique, microondes

Sous la direction de Jean-Luc Pelouard.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    La pierre angulaire de la nanophotonique est l'exaltation des interactions électron-photon obtenue en combinant le confinement du champ électromagnétique avec les résonances de microcavités ou de nano-antennes optiques. Cette exaltation peut également être obtenue à l'aide d'onde de surface comme les plasmons polaritons de surface ou les phonons polaritons de surface. De plus l'interaction sera renforcée si les électrons sont eux-mêmes confinés dans un puits quantique. Cependant il est plus difficile d'utiliser des ondes de surfaces dans ce cas puisque l'extension de l'onde est nettement supérieure à la largeur du puits. Nous avons récemment montré [1] qu'il est possible, en utilisant l'effet ENZ [2-5], de confiner les phonons-polaritons de surface dans un puits quantique unique. Introduisant ainsi une exaltation de l'interaction électron-phonon par plus de deux ordres de grandeur. Cette thèse mettra à profit cette forte exaltation pour concevoir et réaliser une nouvelle classe de dispositifs pour la détection de rayonnement dans l'infrarouge lointain (de 10 à 40 microns). L'interaction électron-phonon étant le mécanisme limitant à température ambiante le transport électronique dans les semi-conducteurs, la forte exaltation de cette interaction devrait conduire à un signal de photo-détection mesurable à température ambiante. Introduisant ici une rupture technologique majeure, une partie importante de cette thèse sera dédiée à l'étude théorique et expérimentale du comportement en température de ces dispositifs. Basée sur les résultats obtenus dans notre équipe sur la modulation de la réflectivité [6] et de l'émissivité [7], cette thèse étudiera deux types de résonateurs : (1) des murs de semiconduteurs dont chaque face supporte des phonons polaritons de surface et (2) des structures à puits quantique unique. Cette double approche nous permettra d'une part de limiter les risques liés aux développements technologiques et d'autre part d'enrichir l'étude par des données expérimentales complémentaires.

  • Titre traduit

    Optical resonator based on surface phonons-polaritons, appliation to photodetection


  • Résumé

    The cornerstone of nanophotonics is the exaltation of electron-phonon interaction obtained by combining electromagnetic field confinement with the resonances of microcavities or optical nanoantennas. This exaltation can also be obtained using surface waves such as surface plasmons-polaritons or surface phonons-polaritons. Furthermore, the interaction will be reinforced if the electrons themselves are confined inside a quantum well. However, using surface waves is more difficult in this case, as the wave extends over a length larger than the well width. We have recently shown [1] that it is possible, using the epsilon-near-zero (ENZ) [2-5] effect, to confine the surface phonons-polaritons inside a single quantum well, thus introducing an exaltation of the electron-phonon interaction over two orders of magnitude. This thesis will exploit this strong exaltation in order to conceive and implement a new class of devices for radiation detection in the far infrared (10 to 40 microns). As the electron-phonon interaction is the limiting mechanism at room temperature for electronic transport in semiconductors, the strong exaltation of this interaction is expected to lead to a photodetection signal measurable at room temperature. Introducing a major technological leap, a large part of this thesis will be dedicated to the theoretic and experimental study of the behaviour of these devices as temperature varies. Based on the results obtained by our team for reflectivity [6] and emissivity [7] modulation, this thesis will study two types of resonators: (1) semiconductor walls on which each side supports surface phonons-polaritons and (2) single-quantum-well structures. This double approach will allow us on the one hand to limit the risks involved in the technological developments and on the other hand to enrich the study with additional experimental data.