Etude de la préservation du couplage fort dans des guides ZnO sous forte injection optique en vue de la réalisation d’un laser à polaritons à température ambiante

Investigation of polaritonic strong coupling in ZnO waveguides under variable optical excitation densities between 5K and 300K

• Auteur / Autrice : Geoffrey Kreyder
• Direction : Joël Leymarie, Pierre Disseix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/07/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Jésus Zúñiga-Pérez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Brimont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuelle Deleporte, Thierry Taliercio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers en physique

Matière condensée

Mots clés libres

Matière condensée

Interaction lumière-matière

Condensation de Bose-Einstein

Laser à polaritons

Exciton-polaritons

Guide d’onde ZnO

Écrantage excitonique

Densité de Mott

Condensed matter

Light-matter interaction

Bose-Einstein condensation

Polariton laser

Exciton-polaritons

ZnO waveguide

Excitonic screening

Mott density

Résumé

Ce travail de thèse expérimental porte sur l’étude de la préservation du couplage fort dans des guides ZnO sous forte injection optique en vue de la réalisation d’un laser à polaritons à température ambiante. L’effet laser à polaritons est examiné dans des structures guidantes à base de ZnO en variant le confinement du champ électromagnétique grâce à la modification de l’épaisseur des claddings et de la couche active. Dans un premier temps, des expériences de spectroscopie combinant micro-photoluminescence en espace réel et en espace réciproque ont été effectuées sur des guides planaires ZnMgO/ZnO/ZnMgO épitaxiés sur substrat de ZnO plan m avec des réseaux d’extraction gravés en surface. La deuxième partie a consisté en l’étude de l’écrantage de l’interaction coulombienne des excitons sous forte injection optique. En partant d’une dispersion servant de référence (pas d’écrantage) réalisée à très basse puissance, l’écrantage progressif de l’interaction coulombienne des excitons est étudié lorsque la puissance d’excitation augmente jusqu’à atteindre le seuil laser, voire plusieurs fois ce seuil. L’évolution de la courbe de dispersion du mode polaritonique est simulée numériquement en ajustant le pourcentage de force d’oscillateur restant et en tenant compte de la renormalisation du gap et de la réduction de l’énergie de liaison des excitons lorsque la densité des porteurs augmente. Lorsque le processus d’écrantage est total et que la force d’oscillateur restante tombe à 0%, les excitons laissent la place à un plasma de trous et d’électrons. Le couplage fort est perdu et le gain du laser ne peut plus être polaritonique. Cette transition se produit lorsqu’une densité critique de porteurs atteint celle correspondant à la transition de Mott. La dernière partie du travail de thèse concerne l’estimation de la distance de propagation des polaritons qui est de l’ordre de quelques dizaines de µm jusqu’à 70 µm permettant une implémentation plus facile et plus directe des circuits intégrés à polaritons.

This experimental thesis work deals with the study of strong coupling preservation in ZnO waveguides under high optical injection in order to realize polariton laser at 300K. The polariton lasing effect was investigated in ZnO waveguides whose cladding and active layers varied in thickness to control the electromagnetic field confinement. Firstly, spectroscopy experiments combining micro-photoluminescence in real and reciprocal space were carried out on ZnMgO/ZnO/ZnMgO planar waveguides grown on a m-plane ZnO substrate with extraction gratings etched on the surface. Secondly, the screening of Coulomb interaction under high optical injection was assessed through the measurement of the experimental dispersions of the guided mode extracted by a grating. Starting from a low temperature and low-density dispersion serving as reference (no screening) the excitation intensity was raised until lasing threshold and much above. The evolution of the polaritonic mode is simulated numerically by adjusting the remaining oscillator excitonic strength and by reducing the gap by an amount equal to the reduction of the reduction of excitonic binding energy. Once the screening is reached, strong coupling is lost, and the laser gain is no longer polaritonic; the excitonic oscillator strength drops to 0% and a plasma of uncorrelated electrons and holes is created. This transition occurs once a critical density is reached corresponding to the Mott density. Lastly, the propagation length of polaritons was measured and found to be of the order of a few tens of µm up to 70 µm, which would allow for an easier and more direct implementation onto polaritonic integrated circuits.