Fluides quantiques de polaritons excitoniques de guides d’onde

Valentin DEVELAY

Les exciton-polaritons sont des particules bosoniques composées d’un photon et d’un exciton, i.e une paire electron-trou en interaction coulombienne, dans un régime de couplage fort. Ce couplage nécessite un confinement efficace de la lumière, que peuvent fournir les guides d’onde par réflexion total interne. Grâce à ces fortes interactions, ces fluides de lumière permettent d’étudier les condensats de polaritons à l’équilibre thermique, comme la condensation de Bose-Einstein (BEC), ainsi que hors d’équilibre comme le laser à polaritons. Contrairement aux lasers conventionnels, ces derniers ne requièrent pas d’inversion de population pour générer un effet laser, ouvrant la voie à de possibles applications en optoelectronique. De plus, la non-linéarité Kerr polaritonique et le couplage des excitons à des états exotiques de la lumière comme les états liés dans le continuum (BIC), élargissent les applications de la polaritonique à l’optique non linéaire et intégrée. Cette thèse s’intéresse ainsi à l’étude de guides d’onde polaritoniques en nitrure de gallium (GaN) par spectroscopie optique. Les résultats majeurs de ce travail sont les suivants: (i) l’observation, à température ambiante d’un laser à polaritons à blocage de modes grâce à la formation d’un soliton brillant par les non-linéarités polaritoniques dans une cavité ruban de longueur 60µm, (ii) la génération d’un régime multisolitonique par pompage asymétrique d’une cavité de 40µm de long. La variation continue de la position du pompage optique depuis les miroirs vers le centre de la cavité a démontré une transition continue de ce régime multisolitonique vers un régime à soliton unique. (iii) La détection d’un effet laser dans un guide d’onde GaN dopé par excitation optique et électrique. (iv) La première démonstration expérimentale d’un laser à polariton de BIC dans un cristal photonique de guide d’onde GaN, caractérisé par un noircissement en k=0, une évolution quadratique en k de l’intensité de sa dispersion ainsi que par la présence d’un vortex de polarisation en k=0 et par un effet laser observé dans des états confinés dans le gap.