Hassen Souissi

Fluides quantiques de lumière pour la photonique intégrée : dispositifs à polaritons guidés

Les interactions entre les excitons, particules bosoniques composées d’un électron et d’un trou liés par l’interaction coulombienne, et les photons sont grandement améliorés dans les guides d’ondes où la lumière est confinée par réflexion totale interne. Lorsque l’interaction est suffisamment importante, le régime de couplage fort entre le mode photonique du guide et la résonance excitonique de la couche active est atteint, créant ainsi une quasi-particule connue sous le nom d’exciton-polariton, ou simplement polariton. Ces fluides quantiques de lumière suscitent un grand intérêt en raison de leur potentiel d’applications en optoélectronique, en particulier dans les lasers dits à polaritons. Dans cette optique, cette thèse se focalise sur l’étude, par des méthodes de spectroscopie, de structures lasers à polaritons en géométrie guide d’onde à base de nitrure de gallium (GaN), qui présentent des spécificités intéressantes en comparaison de leurs homologues en géométrie de cavité verticale intensément étudiées. Les principaux résultats de ce travail sont (i) la démonstration d’un laser à polaritons fonctionnant en régime continu à basse température (70 K). Ce laser présente un mode de fonctionnement original, qui résulte de la non-réciprocité entre absorption et émission stimulée dans la couche active. Le gain significatif permet un fonctionnement efficace sur des cavités très courtes, comme celles de 20 μm utilisées dans cette étude. De plus une longueur de pompe de seulement 15% de la longueur de cavité suffit pour atteindre l’effet laser, ce qui distingue clairement ces lasers à polaritons des lasers semi-conducteurs conventionnels exigeant un pompage d’une grande partie de la cavité laser par un milieu actif homogène pour que le gain l’emporte sur les pertes ; (ii) l’observation, en étendant notre étude à T=150 K, d’une transition de régime laser avec un caractère multimode sur une cavité plus longue de 60 μm. La modélisation des spectres mesurés permet de conclure que cette émission est impulsionnelle, grâce à la formation de solitons de cavité par un blocage de modes induit par les interactions non-linéaires entre les polaritons ; (iii) des mesures préliminaires d’injection électrique dans des guides d’onde avec couches d’injection dopées, suite à la mise en place d’un nouveau dispositif expérimental d’électroluminescence indépendant de celui de la spectroscopie optique.