Analyse et contrôle des effets de polarisation dans des microcavités de semiconducteurs structurées

Analysis and control of polarization effects in structured semiconductor microcavities

• Auteur / Autrice : Ombline Lafont
• Direction : Philippe Roussignol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/10/2016
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pierre Aigrain (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Deleporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Roussignol, Emmanuelle Deleporte, Thierry Amand, Bernard Gil, Alberto Bramati, Stefan Schumacher, Emmanuel Baudin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Amand, Bernard Gil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Exciton-polaritons

Microcavité de semiconducteurs

Motif

Interrupteur optique

Pseudo spin

Microfil

Oscillation

Paramétrique optique

Exciton-polaritons

Pseudo-spin

Microwire

Pattern

Optical switch

Optical parametric oscillation

Résumé

En régime de couplage fort lumière-matière, les microcavités de semiconducteurs contenant des puits quantiques abritent des quasi-particules appelées exciton-polaritons de microcavité. Leur caractère hybride mi-électronique, mi-photonique, leur confère des propriétés optiques non-linéaires remarquables. Nous nous intéressons dans cette thèse à des microcavités structurées qui permettent la coexistence de branches polaritoniques de symétrie et d'énergie différenciées. Une microcavité gravée en rubans de quelques micromètres de large est d'abord étudiée. Le confinement latéral lève la dégénérescence entre les modes polarisés parallèlement et orthogonalement à la direction du ruban. Nous montrons que ce dédoublement résulte de contraintes structurales intrinsèques, de sorte que son amplitude peut être décidée dès la conception du dispositif. Nous nous intéressons ensuite à une microcavité double. En régime de diffusion Rayleigh élastique, le dédoublement TE-TM conduit à une séparation spatiale et angulaire des polaritons de pseudo-spins différents. Nous montrons que ce phénomène, appelé ''effet Hall optique de spin'' peut être contrôlé par un faisceau de pompe intense. Dans le régime d'oscillation paramétrique optique, la lumière s'auto-organise pour former un motif dans le champ lointain. Les règles de sélection concernant l'orientation et la polarisation de ces motifs sont explorées dans le régime d'amplification paramétrique optique. Ces études ouvrent la voie de la conception de ''dispositifs de microphares'' (capables d'orienter continûment la lumière par un simple contrôle en polarisation) et d'interrupteurs tout-optique ultra-rapides.

Semiconductor microcavities with embedded quantum wells in the strong light-matter coupling regime host quasi-particles called microcavity exciton-polaritons. Their hybrid nature, half-electronic, half-photonic, brings about remarkable nonlinear optical properties. In this work, we focus on microcavities that are structured to enable the coexistence of polaritonic branches with various symmetries and energies. First, a microcavity etched to form micrometers-wide wires is studied. The lateral confinement lifts the degeneracy between the modes which are polarized parallel and orthogonal to the wire direction. We show that this splitting results from built-in constraints which make a precise engineering of the splitting magnitude possible. We then focus on a double microcavity. In the elastic Rayleigh scattering regime, the TE-TM splitting induces a spatial and angular separation of polaritons with different pseudospins. We show that this phenomenon, called ''Optical Spin Hall Effect'', can be controlled by a strong optical pump beam. In the regime of Optical Parametric Oscillation, the light self-organizes to form patterns in the far field. The selection rules for the orientation and polarization of these patterns are explored in the regime of Optical Parametric Amplification. These studies pave the way for the realization of microscopic ''lighthouse'' devices (able to continuously orientate the light by a simple polarization control) and ultrafast all-optical switches.