Dispositifs quantiques en régime de couplage ultra-fort lumière-matière pour l'optoélectronique dans le moyen infrarouge
Institution:
Paris 7Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This work focuses on the realization of quantum devices operating in the strong coupling regime between an excitation of an electron gas in a semiconductor quantum well and a cavity mode in the mid infrared. The quasi-particles issued from this light-matter coupling are called "intersubband polaritons". The first part of this manuscript is dedicated to the study of an electroluminescent device based on a quantum cascade structure inserted in a planar microcavity. By means of a detailed analysis of the electroluminescence spectra at different voltages, I demonstrate that in this System the polariton States are resonantly populated, at energy depending on the applied bias. In order to increase the selectivity of the injection and observe an enhancement of the spontaneous emission, metal - dielectric - metal cavities are designed and realized in the second part of this work. In this cavities, light is confined in a highly subwavelength semiconductor layer. The top gold mirror is patterned into a grating, whose parameters determine the properties of the cavity modes. Two regimes are identified: one in which the cavity mode is coupled to a surface plasmon mode and one in which it presents a fiat energy dispersion. By inserting doped quantum wells in a cavity of this second type, the strong and ultra-strong light-matter coupling regimes are demonstrated up to room temperature. The important value of the Rabi splitting and the high polaritonic density of states achievable in this cavity make it a promising candidate to realize efficient mid infrared electroluminescent devices operating without electronic population inversion.
Abstract FR:
Ce travail porte sur la réalisation de dispositifs quantiques fonctionnant en régime de couplage fort entre une excitation d'un gaz d'électrons dans un puits quantique semiconducteur et un mode de cavité dans le moyen infrarouge. Les quasi-particules issues de ce couplage lumière-matière sont appelées polaritons intersousbande. La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude d'un dispositif électroluminescent basé sur une structure à cascade quantique insérée dans une microcavité planaire. Par une analyse des spectres d'électroluminescence à différents voltages, je démontre que les états de polaritons sont peuplés de façon résonante, à une énergie qui dépend du voltage appliqué à la structure. Pour augmenter la sélectivité de l'injection et exalter ainsi l'émission spontanée, un nouveau type de cavité est développé dans la seconde partie de ce travail. Elle est basée sur un confinement plasmonique, dans lequel la lumière est confinée entre deux plans métalliques, dans une épaisseur très inférieure à la longueur d'onde. Le miroir supérieur est façonné en réseau. L'influence de ses différents paramètres est étudiée et deux régimes sont mis en évidence: un où le mode de cavité se couple à un mode de plasmon de surface et un où le mode de cavité ne présente pas de dispersion en énergie. En insérant des puits quantiques dopés dans une cavité de ce deuxième type, les régimes de couplage fort puis ultra-fort sont démontrés jusqu'à température ambiante. La valeur importante du dédoublement de Rabi et la forte densité d'états polaritoniques obtenues dans ce type de cavité en font un candidat prometteur pour réaliser des bons dispositifs électroluminescents.