Métamatériaux à fonction diélectrique proche de zéro appliqués à des dispositifs optoélectroniques dans l'infrarouge moyen

Epsilon-Near-Zero metamaterials applied to mid-infrared optoelectronic devices

• 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
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Marris-Morini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Taliercio, Jean-François Lampin, Yannick De Wilde
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Taliercio, Jean-François Lampin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Permittivité

Résonateurs optiques

Nanophotonique

Modulateurs (électronique)

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Epsilon-Near-Zero (ENZ)

Détecteur à cascade quantique (QCD)

Modulateur optique

MIM

Fonction dielectrique

Epsilon-Near-Zero (ENZ)

Quantum cascade detector (QCD)

Optical modulator

MIM

Dielectric function

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.

Epsilon-near-zero (ENZ) materials belong to the plasmonics and metamaterials branches of nanophotonics and have been studied actively since the last decade. The near-zero dielectric function offers intrinsic enhancement and confinement of electromagnetic waves in highly sub-wavelength ENZ layer, thus increases light-matter interaction. In this work, we applied the ENZ concept to mid-infrared optoelectronic devices, traditionally limited by weak light-matter interaction. More precisely, we designed and tried to realize an ENZ electro-optical modulator (EOM) and an ENZ single-period quantum cascade detector (QCD), operating around 10µm.The ENZ-EOM’s mechanism is based on detuning an ENZ mode which is initially in strong coupling with a cavity mode. The ENZ mode can be tuned by electron depletion with a voltage bias. This mechanism theoretically offers a significant amplitude modulation, but has not been realized so far in this wavelength range. As for QCD, it belongs to the family intersubband devices and generally suffers from low absorption in conventional structures, due to the selection rule. The ENZ-QCD benefits from the enhancement of electric field’s normal component - the useful component for intersubband absorption. The dielectric functions of the materials used have a central place in the optical design of these devices, so we started by carefully studying them experimentally and theoretically. The ENZ regime is reached in EOM and QCD devices, using respectively a heavily doped Drude-like InGaAs layer and a sharp intersubband transition in a single InGaAs/InAlAs quantum well. I carried out the optical design of the devices, their microfabrication, followed by optical, electrical and electro-optical characterizations. For the ENZ-EOM device, at zero voltage bias, we experimentally observed the strong coupling regime between the ENZ mode and the cavity mode, in agreement with the optical computation. However, a significant depletion of electron to tune the ENZ mode appears to be challenging, despite different strategies inspired from well-known transistor structures. As for the ENZ-QCD, we studied the role of the depolarization shift in the absorption of intersubband transitions and its relation to the ENZ concept, allowing us to correctly take into account this phenomenon in our optical simulations. The electromagnetic computation indicates a large useful absorption in the active quantum well, up to 50-60% of the incident flux, whereas conventional QCD structure is often limited with a useful absorption of less than several percent per active period. Experimentally, optical reflectance characterization of ENZ-QCD devices as a function of temperature shows a transition from weak to strong coupling regime of the intersubband transition with the cavity mode. From photocurrent and spectral response measurements, we estimate an external quantum efficiency of about 0.057%, about an order of magnitude below the state of the art. Considering this is the first generation of the ENZ-QCD, the results obtained are encouraging and we believe that further improvements in next generations are realistic. The physics in the ENZ-QCD system is rich and therefore constitutes an interesting subject for future studies.