Etude de la dynamique d'émission et de la cohérence des nanolasers à cristaux photoniques
Institution:
Paris 6Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The huge progress made in the process technologies in nanostructures fabrication made possible the extreme reduction of the size of laser structures, making cavities the size of the light wavelength, or even smaller. These objects are called nanolasers. Yet, while there fabrication is nowadays easily controlled, their behavior is not completely understood. Indeed, the reduction of the size of the cavity cause the apparition of quantum effects which completely change the general behavior of nanolasers, in particular in terms of threshold, dynamics, noise and coherence: physics used to describe the behavior of traditional macro-lasers is not suitable anymore. The works produced during this PhD attempted to provide and experimentally confirm a new model to describe physics in nanolasers, in particular to understand how the emission dynamics behaves. Then, we present a new model based on the discretization of the photons and emitters inside the cavity. This model reveals high amplitude oscillations in the emission dynamics around threshold level: these oscillations are responsible for the high emission noise in continuous pumping, and high jitter phenomenon in pulsed pumping. In these both pumping regimes, experimental works have been done to validate this model, by using photonic crystal nanolasers. In particular, we developed during this PhD a new protocol able to unequivocally differentiate coherent from chaotic signals: the interferometric photon correlation measurement. We used this set-up to characterize the signal from our photonic crystal nanolasers to confirm our theoretical model.
Abstract FR:
Les progrès dans les domaines des procédés de fabrications des composants électroniques et semiconducteurs ces 30 dernières années ont permis de réduire considérablement la taille des lasers pour finalement faire apparaître des cavités de taille ultime, de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde d’émission. On appelle communément ces lasers des nanolasers. Or, bien que leurs procédés de fabrication soient aujourd’hui maîtrisés, le comportement de ceux-ci n’est pas encore tout à fait compris. En effet, la réduction des dispositifs lasers a entrainé l’apparition d’une “nouvelle physique”, que les lois décrivant les lasers macroscopiques traditionnels ne permettent plus d’expliquer. Ainsi, les travaux effectués durant cette thèse ont eu pour but de proposer un nouveau modèle théorique pour décrire la dynamique d'émission de ces nanolasers, et de le vérifier expérimentalement. Nous proposons un nouveau modèle physique basé sur la discrétisation du nombre de photons et d'émetteurs dans la cavité, permettant de mettre en évidence de fortes fluctuations d'amplitude dans l'émission dans la région du seuil, responsables d'un bruit d'émission intrinsèque au système et auto-entretenu par ces cycles de populations. A la fois dans les régimes de pompe impulsionnel et continu, ce comportement est mise en évidence numériquement par simulation, et expérimentalement via des mesures de corrélation sur des nanolasers à cristaux photoniques. En particulier, la nature cohérente du signal est mesurée via une méthode originale de corrélation interférométrique de photons, développé durant cette thèse, méthode permettant de manière univoque d'identifier la nature cohérente d'un signal.