Dispositifs optoelectroniques dans la gamme spectrale du moyen-infrarouge et bases sur la condensation de Bose-Einstein

par Ngoc linh Tran

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Raffaele Colombelli et de Jean-Michel Manceau.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Photonique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Dispositifs optoélectroniques fonctionnent généralement dans le régime de faible couplage entre la lumière et de la matière, par exemple dans les lasers classiques qui reposent sur l'inversion de population pour obtenir gain optique. Récemment il y a eu un regain d'intérêt pour les systèmes quantiques d'exploitation à la place dans le régime de couplage fort, lorsque la force de couplage de l'interaction lumière-matière est si forte que les nouveaux Etats - polaritons cavité - sont créés, qui sont partiellement la lumière d'excitation, partiellement matériau . Dans les semi-conducteurs, exciton-polaritons ont été le type de système fortement couplé le plus largement étudié. Toutefois, récemment, un nouveau phénomène a été réalisé en exploitant les transitions intersousbandes. Les excitations résultants sont appelés polaritons intersousbandes [1], et ils ont deux propriétés remarquables: (I) un caractère de bosons qui est maintenue jusqu'à densités de porteurs élevés car ils ne sont pas limités par la limite de transition de Mott; (Ii) les grandes splittings Rabi. Bien que la communauté scientifique a exploré la science fondamentale des polaritons intersousbandes, leur potentiel d'avenir et des dispositifs optoélectroniques novateurs a été entièrement exploité. En particulier, dans ce contexte, un type de "laser" différent a été proposé en 1996 [2], qui ne repose pas sur l'inversion de la population, mais sur la stimulation de l'état final de bosons. Dans un système de bosons, la probabilité de transition vers un état final est proportionnel à la population dudit état. lasing polaritons se produit lorsque le temps de diffusion vers l'état du sol est plus courte que la durée de vie de l'état final. Population construit alors brusquement. des lasers à polaritons sont intéressantes car elles sont faiblement dépendante de la température de fonctionnement, contrairement aux lasers à semi-conducteurs standards. L'objectif de cette thèse est de développer des dispositifs de lightemitting polaritoniques basé sur polaritons intersousbandes et opérant dans le domaine spectral infrarouge moyen, une région spectrale très importante pour les applications. L'activité se fonde sur les développements récents de l'équipe hôte à IEF [3,4]: résonateurs microcavité dont la dispersion d'énergie permet polariton-polariton ou processus de diffusion polariton-phonon - comme représenté sur la figure - sur lequel un laser polaritoniques ou de l'amplificateur peut compter sur . La thèse est à la fois théorique et expérimentale. Le candidat retenu devra effectuer des analyses des études, des simulations numériques, la fabrication des dispositifs et des travaux expérimentaux correspondants dans le laboratoire.

  • Titre traduit

    Mid-infrared optoelectronic sources exploiting Bose-Einstein condensation


  • Résumé

    Optoelectronic devices typically operate in the weak coupling regime between light and matter, for example in conventional lasers which rely on population inversion to achieve optical gain. Recently there has been a surge of interest in quantum systems operating instead in the strong coupling regime, when the coupling strength of the light-matter interaction is so strong that new states – cavity polaritons – are created, that are partially light, partially material excitation. In semiconductors, exciton-polaritons have been the most widely studied type of strongly coupled system. However, recently a new phenomenon has been realized exploiting intersubband transitions. The resulting excitations are called intersubband polaritons [1], and they have two remarkable properties: (i) a bosonic character that is maintained up to high carrier densities since they are not restricted by the Mott transition limit; (ii) large Rabi splittings. Although the scientific community has explored the basic science of intersubband polaritons, their potential for future and innovative optoelectronic devices has been entirely untapped. In particular, in this context, a different type of “laser” was proposed in 1996 [2], which does not rely on population inversion, but on bosonic final-state stimulation. In a bosonic system, the probability of transition towards a final state is proportional to the population of said state. Polariton lasing happens when the scattering time towards the ground state is shorter than the lifetime of the final state. Population then builds up abruptly. Polariton lasers are interesting since they are weakly dependent on operating temperature, in contrast with standard semiconductor lasers. The goal of this thesis is to develop polaritonic lightemitting devices based on intersubband polaritons and operating in the mid-infrared spectral range, a spectral region very important for applications. The activity builds upon recent developments of the host team at IEF [3,4]: microcavity resonators whose energy dispersion enables polariton-polariton or polariton-phonon scattering processes - as depicted in the Figure – on which a polaritonic laser or amplifier can rely on. The thesis is both theoretical and experimental. The successful candidate will perform analytical studies, numerical simulations, fabrication of the devices and corresponding experimental work in the laboratory.