Métamatériaux à fonction diélectrique proche de zéro appliqués à des dispositifs optoélectroniques dans l'infrarouge moyen
Auteur / Autrice : | Tuan Nghia Lê |
Direction : | Fabrice Charra, Simon Vassant |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Physique |
Date : | Soutenance le 21/02/2022 |
Etablissement(s) : | université Paris-Saclay |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Ondes et Matière |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne) - Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - III-V Lab - Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées |
référent : Faculté des sciences d'Orsay | |
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....) | |
Jury : | Président / Présidente : Delphine Marris-Morini |
Examinateurs / Examinatrices : Thierry Taliercio, Jean-François Lampin, Yannick De Wilde | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Taliercio, Jean-François Lampin |
Résumé
Les matériaux Epsilon-near-zero (ENZ) appartiennent aux branches plasmonique et métamatériaux de la nanophotonique et ont été activement étudiés au cours de la dernière décennie. La fonction diélectrique proche de zéro induit une exaltation intrinsèque et un confinement des ondes électromagnétiques dans une fine couche ENZ très sub-longueur d'onde, augmentant ainsi l'interaction lumière-matière. Dans ce travail, nous avons appliqué le concept ENZ à des dispositifs optoélectroniques dans le moyen infrarouge, traditionnellement limités par une faible interaction lumière-matière. Plus précisément, nous avons conçu et essayé de réaliser un modulateur électro-optique (EOM) ENZ et un détecteur à cascade quantique à période unique (QCD) ENZ, fonctionnant autour de 10µm. Le mécanisme de l’ENZ-EOM consiste à déplacer un mode ENZ, qui est initialement en couplage fort avec un mode de cavité. La fréquence du mode ENZ peut être déplacée par déplétion d’électron en appliquant une tension. Ce mécanisme offre théoriquement une modulation d'amplitude importante, mais n'a pas été utilisé jusqu'à présent dans cette gamme de longueur d'onde. Quant au QCD, il appartient à la famille des dispositifs intersousbandes, qui souffre généralement d'une faible absorption dans les structures classiques, du fait de la règle de sélection. L’ENZ-QCD bénéficie de l'exaltation de la composante normale du champ électrique - la composante utile pour l'absorption intersousbande. Les fonctions diélectriques des matériaux utilisés ont une place centrale dans la conception optique de ces dispositifs, nous avons donc commencé par les étudier expérimentalement et théoriquement. Le régime ENZ est atteint dans les dispositifs EOM et QCD, en utilisant une couche InGaAs de type Drude fortement dopée et une transition intersousbande forte dans un puits quantique unique en InGaAs/InAlAs, respectivement. J'ai réalisé la conception optique des dispositifs, leur microfabrication, suivie par des caractérisations optiques, électriques et optoélectroniques. Pour le dispositif ENZ-EOM, à tension nulle, nous avons observé expérimentalement le régime de couplage fort entre le mode ENZ et le mode de cavité, en accord avec la simulation optique. Cependant, une déplétion significative des électrons pour déplacer le mode ENZ paraît difficile expérimentalement, et cela malgré différentes stratégies mises en œuvre, inspirées des structures de transistors connues. Concernant le dispositif ENZ-QCD, nous avons étudié le rôle du ‘depolarization shift’ dans l'absorption des transitions intersousbande et sa relation avec le concept ENZ, nous permettant de correctement prendre en compte ce phénomène dans nos simulations électromagnétiques. La simulation électromagnétique indique une grande absorption utile dans le puits quantique actif, jusqu'à 50-60% du flux incident, tandis que des structures QCD conventionnelles sont souvent limitées avec une absorption utile de moins de quelques pourcents par période active. Expérimentalement, des mesures de réflectivité des dispositifs ENZ-QCD en fonction de la température montre une transition d'un régime de couplage faible à un régime de couplage fort de la transition intersousbande avec le mode de cavité. A partir des mesures du photocourant et de la réponse spectrale, nous estimons une efficacité quantique externe d'environ 0,057%, environ un ordre de grandeur inférieur à l'état de l'art. Considérant qu'il s'agit de la première génération de l'ENZ-QCD, les résultats obtenus sont encourageants et nous pensons que d'autres améliorations dans les prochaines générations sont réalistes. La physique dans le système ENZ-QCD est riche et constitue donc un sujet intéressant pour de futures études.