Stimulated Raman scattering in semiconductor nanostructures

par Felix Kroeger

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Nicolas Dubreuil.

Soutenue en 2010

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des Sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

  • Titre traduit

    Diffusion Raman stimulée en nanostructures semi-conductrices


  • Résumé

    Cette thèse présente des études expérimentales sur l'exaltation des effets d'optique non-linéaire, en particulier la diffusion Raman stimulée, dans des nanostructures dans des matériaux semi-conducteurs. Tous les résultats expérimentaux sont obtenus en utilisant la méthode pompe-sonde. Dans le cas présent, pompe et sonde sont des impulsions laser picosecondes. Par rapport à la diffusion Raman, le faisceau sonde correspond à l'onde Stokes. La thèse est organisée en deux parties. Dans la première partie, on présente une étude expérimentale de la diffusion Raman stimulée dans un nano-guide de ruban en silicium-sur-isolant (SOI). On démontre que l'amplification Raman du faisceau sonde subit un effet de saturation pour les fortes intensités pompe et que cette saturation est due à une automodulation de phase du faisceau pompe. Cette automodulation de phase est induite par l'effet Kerr et par l'effet réfractif des porteurs libres qui sont générés par l'absorption à deux photons dans le matériau semi-conducteur. Un modèle analytique est développé qui décrit l'évolution des intensités pompe et Stokes au cours de leur propagation dans le nano-guide. Basé sur les spectres des faisceaux pompe et sonde mesurés à la sortie du nano-guide, le modèle reproduit très bien la saturation de l'amplification Raman du faisceau sonde, sachant que cette saturation correspond à une réduction du gain Raman effectif. En plus, le modèle nous permet de déterminer le coefficient du gain Raman continu du silicium. On obtient une valeur de 8. 9 cm/GW, en accord avec les valeurs publiées précédemment. La deuxième partie présente une étude expérimentale de la diffusion Raman stimulée dans une microcavité semi-conductrice planaire qui est composée d'une couche de GaAs entourée par deux miroirs de Bragg en AIGaAs/AIAs. L'avantage d'une telle microcavité planaire est le fait qu'elle permet d'obtenir facilement une situation doublement résonnante où pompe et sonde sont résonnantes simultanément. On développe un modèle analytique de la propagation du faisceau sonde qui prend en compte plusieurs effets non-lineaires, notamment l'absorption à deux photons, l'effet Kerr, l'absorption par les porteurs libres, l'effet réfractif par les porteurs libres et la diffusion Raman stimulée. Les résultats expérimentaux de plusieurs séries de mesures pompe-sonde indiquent que la dynamique des électrons dans la couche centrale de GaAs est modifiée par la diffusion Raman. On présente une interprétation des résultats expérimentaux. Selon notre hypothèse, la relaxation des électrons excités dans la bande de conduction par l'absorption à deux photons est ralentie par l'interaction entre les électrons et les phonons Raman, car les derniers sont excités de façon cohérente par diffusion Raman spontanée amplifiée. En outre, on développe une méthode expérimentale pour vérifier cette hypothèse.


  • Résumé

    This PhD thesis presents some experimental studies of the enhancement of several nonlinear optical effects, in particular the stimulated Raman scattering, in semiconductor nanostructures. All experimental results are obtained by using the pump-probe method, where, in the present case, pump and probe are picosecond laser pulses. Regarding the stimulated Raman scattering, the probe beam corresponds to the Stokes wave. The thesis is organized in two parts. Ln the first part, we present an experimental study of stimulated Raman scattering in a nano-ridge waveguide in silicon-on-insulator (SOI). We demonstrate that the Raman amplification of the probe beam undergoes a saturation effect for high pump intensities and that this saturation is caused by a self-phase modulation of the pump beam. This self-phase modulation is induced by the Kerr effect and by the refractive effect of the free charge carriers generated by two photon absorption in the semiconductor material. An analytical model is developed that describes the evolution of the pump and Stokes intensity during their propagation in the nano-waveguide. Based on the spcctra of the pump and the probe beam, measured after the passage of the waveguide, the model reproduces very well the saturation of the Raman amplification of the probe beam, where this saturation corresponds to a reduction of the effective Raman gain. Moreover, the model allows for a determination of the cw Raman gain cocfficient of silicon. We obtain a value of 8. 9 cm/GW, which is in agreement with previously published values. The second part presents an experimental study of stimulated Raman scattering in a planar semiconductor microcavity that is composed of a GaAs layer enclosed by two AIGaAs/AIAs Bragg mirrors. The advantage of such a planar microcavity is the fact that one can obtain easily a doubly resonant situation, where pump and probe beam a both resonant at the same time. We develop an analytical model of the propagation of the probe beam, taking into account several nonlinear effects, notably the two photon absorption, the Kerr effect, the absorption by free carriers, the refractive effect of free carriers, and stimulated Raman scattering. The experimental results of several series of pump-probe measurements indicate that the dynamics of the electrons in the central GaAs layer is modified by Raman scattering. We present an interpretation of the experimental results. According to our hypothesis, the relaxation of the electrons excited to the conduction band by two photon absorption is slowed down by the interaction between the electrons and the Raman phonons, because the latter are exciled coherently by amplified spontaneous Raman scattering. Furthermore, we develop an experimental method to verify this hvpothesis.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (IV-166 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 159-166

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
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  • Cote : 0g ORSAY(2010)222
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