Échantillonnage temporel par mélange à quatre ondes pour la mesure de la dynamique des nanolasers en semi-conducteur

Time gating four wave mixing to measure the dynamics of semiconductor nanolasers

• Auteur / Autrice : Federico Monti
• Direction : Alejandro Giacomotti, Fabrice Raineri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/05/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Dubreuil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cojocaru Crina, Gian Luca Lippi, Laurent Vivien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cojocaru Crina, Gian Luca Lippi
• DOI : 10.70675/066f40e7z5372z4e39zb04ez71a514bf8396

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique ultra-rapide

Semiconducteurs

Optique non linéaire

Mélange à quatre ondes

Nanophotonique

Mots clés libres

Dynamique ultra-Rapide

Nanolasers PhC

Optique non linéaire

Mélange à quatre ondes

Nanophotonique

Semiconducteurs actifs

Échantillonnage temporel

Ultra-Fast dynamics

PhC nanolasers

Nonlinear optics

Time gating four wave mixing

Nanophotonics

Active semiconductors

Time gating

Résumé

Les nanolasers à cristaux photoniques suscitent un intérêt croissant en raison de leur capacité unique à manipuler et à confiner la lumière à une très petite échelle. Leur faible taille et consommation en font des candidats idéaux pour la réalisation d'interconnexions optiques, répondant ainsi aux exigences croissantes en matière de vitesse de transmission des données et de consommation d'énergie. De plus, leur géométrie singulière permet de contrôler leurs propriétés d'émission spontanée, révélant ainsi la nature unique des nanolasers à cristaux photoniques d'un point de vue fondamental, et soulignant leur potentiel en tant que candidats pour de nouvelles recherches sur l'interaction lumière-matière. Malgré ces avantages, les méthodes actuelles de détection dans le proche infrarouge ne permettent pas une caractérisation complète de leur émission et de leurs propriétés dynamiques. Ceci crée un manque essentiel dans notre compréhension de ces dispositifs. Cette thèse présente une technique de détection par découpage temporel basée sur le mélange à quatre ondes, développée pour mesurer la réponse ultra-rapide des nanolasers 1D. En étudiant l'interaction entre les non-linéarités et la dispersion, il a été possible d'atteindre un niveau de sensibilité de quelques photons et une résolution de 2 picosecondes. D'autres améliorations de la sensibilité, jusqu'à une détection inférieure à un photon, sont prévues en utilisant des impulsions d'échantillonnage plus élevées. Cette approche peut être appliquée à l'étude des statistiques de photons et à l'investigation des effets quantiques dans la matière.Les profils des nanolasers 1D présentent un début d'émission rapide et une longue décroissance, compatibles avec un facteur β de 0,12 et une durée de vie des photons de 20 picosecondes. Une nouvelle approche pour obtenir les valeurs de ces deux paramètres contrôlant la dynamique du laser a été développée : ils ont été directement extraits de la réponse ultra-rapide des nanolasers, au lieu de s'appuyer uniquement sur des mesures en régime stationnaire telles que la courbe S, qui, dans de nombreux cas, peuvent conduire à des estimations inexactes en raison de l'interdépendance de ces paramètres. La réponse dynamique des nanolasers 1D est compatible avec une vitesse de modulation maximale d'environ 30 GHz, répondant à l'exigence de sources laser ultracompactes avec un seuil bas pour les circuits intégrés photoniques et les communications optiques.La sensibilité et la résolution élevées de la technique ont permis de mesurer pour la première fois une conversion adiabatique de la longueur d'onde des photons avec un décalage de longueur d'onde aussi important que 1,2 nanomètres. Cela démontre le potentiel de la technique dans l'étude de la dynamique ultra-rapide aux longueurs d'onde du proche infrarouge.

PhC nanolasers are receiving increasing attention due to their unique capacity to manipulate and confine light at a very small scale. Their small footprint and low thresholds make them ideal candidates for realizing optical interconnects, thus addressing the increasing demands for data transmission speed and power consumption. Moreover, their singular geometry enables the control of their spontaneous emission properties. This reveals the unique nature of PhC nanolasers from a fundamental perspective, highlighting their potential to serve as candidates for novel research in light-matter interaction. Despite these advantages, the current limitations in near-infrared detection capabilities impede the comprehensive characterization of their emission and dynamical properties, leaving a crucial gap in our understanding of these devices.This thesis presents a time-gating detection technique based on four wave mixing, developed to measure the ultra-fast response of 1D nanolasers. By carefully controlling the interplay between nonlinearities and dispersion, a sensitivity of single photon detection and a resolution of 2 picoseconds has been achieved. This highlights the application of this technique in the study of photon statistics and quantum phenomena. The profiles of 1D nanolasers exhibit a rapid onset of emission and a long decay, consistent with a β factor of 0.12 and a photon lifetime of 20 picoseconds. A novel approach to obtaining the values of these two parameters controlling laser dynamics has been developed: they have been directly retrieved from the ultra-fast response of nanolasers, instead of solely relying on steady-state measurements such as the S curve, which, in many cases, can lead to inaccurate estimations due to the interdependence of these parameters. The dynamical response of 1D nanolasers is compatible with a maximum modulation speed of approximately 30 GHz, which fulfills the requirement for low-threshold ultracompact laser sources for photonic integrated circuits and optical communications.The high sensitivity and resolution of the technique permitted the first measurement of an adiabatic wavelength conversion of photons with a wavelength shift as large as 1.2 nanometers. This demonstrates the potential of the technique in studying ultra-fast dynamics at near-infrared wavelengths.