Ce travail est consacré à l'étude des propriétés des polaritons, particules mi-lumière mi-matière, en microcavité semi-conductrice. Leur caractère bosonique autorise l'accès à des régimes de cohérence macroscopique tels la condensation de Bose-Einstein et la superfl uidité que nous avons démontrée expérimentalement. Nous avons également développé une technique permettant de modifier optiquement l'environnement polaritonique par création de défauts arti ficiels, ce qui facilite l'obtention de comportements particuliers du fluide polaritonique comme la turbulence. Les fortes interactions dépendantes du spin entre ces particules, alliées à des vitesses de propagation très élevées du fait de leur composante photonique, nous ont permis de réaliser un interrupteur performant contrôlé optiquement, codé en polarisation et en intensité. Nous avons également réussi à manipuler la distribution spatiale en spin d'un faisceau de polaritons, et notamment à confi ner des états de spin pur sur des zones de quelques microns. Le phénomène de bistabilité présent dans le système nous a amené à reconsidérer le signe de la constante d'interaction entre polaritons de spin opposés. En fin, en régime d'oscillation paramétrique par mélange à quatre ondes, nous avons poursuivi l'étude de génération de photons jumeaux grâce à des mesures de corrélations et des analyses en bruit de la distribution modale transverse, dans diff érents types de cavités planaires puis dans des micropiliers (0D).
Ce travail est consacré à l'étude des propriétés des polaritons, particules mi-lumière mi-matière, en microcavité semi-conductrice. Leur caractère bosonique autorise l'accès à des régimes de cohérence macroscopique tels la condensation de Bose-Einstein et la superfl uidité que nous avons démontrée expérimentalement. Nous avons également développé une technique permettant de modifier optiquement l'environnement polaritonique par création de défauts arti ficiels, ce qui facilite l'obtention de comportements particuliers du fluide polaritonique comme la turbulence. Les fortes interactions dépendantes du spin entre ces particules, alliées à des vitesses de propagation très élevées du fait de leur composante photonique, nous ont permis de réaliser un interrupteur performant contrôlé optiquement, codé en polarisation et en intensité. Nous avons également réussi à manipuler la distribution spatiale en spin d'un faisceau de polaritons, et notamment à confi ner des états de spin pur sur des zones de quelques microns. Le phénomène de bistabilité présent dans le système nous a amené à reconsidérer le signe de la constante d'interaction entre polaritons de spin opposés. En fin, en régime d'oscillation paramétrique par mélange à quatre ondes, nous avons poursuivi l'étude de génération de photons jumeaux grâce à des mesures de corrélations et des analyses en bruit de la distribution modale transverse, dans diff érents types de cavités planaires puis dans des micropiliers (0D).
Ce travail est consacré aux microcavités semi-conductrices à puits quantiques. Ces dispositifs permettent d'atteindre le régime de couplage fort entre le mode résonant de la microcavité et les excitons du puits quantique. Le dédoublement des résonances optiques s'interprète en termes de modes mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité. On s'intéresse aux non-linéarités optiques provenant des interactions coulombiennes entre excitons et à leur influence sur les fluctuations quantiques du champ lumineux. Nous montrons qu'en excitation résonante sous incidence normale, les effets non linéaires peuvent être décrits par un mélange à quatre ondes dégénéré de polaritons donnant un terme de type Kerr. Une étude théorique détaillée démontre que l'on peut obtenir une compression de bruit du champ réfléchi par la cavité. Nous avons mené les études expérimentales sur une microcavité refroidie à 4K et excitée par un laser continu quasi-monochromatique. Le bruit est mesuré au moyen d'une détection homodyne. L'ensemble des résultats est en bon accord qualitatif avec le modèle. Nous observons un comportement bistable à haute intensité d'excitation. Nous mettons en évidence la dépendance en phase de l'émission, confirmant l'existence d'un effet non linéaire cohérent, et une réduction du bruit en dessous du bruit thermique provenant de la luminescence quasi-résonante. Enfin nous avons étudié théoriquement une autre configuration où l'angle d'incidence est choisi de façon à optimiser l'efficacité du processus de mélange paramétrique à quatre ondes non dégénéré de polaritons. Le comportement du système est alors analogue à celui d'un oscillateur paramétrique optique non dégénéré. Nous montrons que les intensités des deux faisceaux " signal " et " complémentaire " présentent des corrélations quantiques légèrement au-dessus du seuil d'oscillation paramétrique.
Ce travail est consacré à l'étude d'effets d'optique quantique et de dynamique de spin dans les microcavités semi-conductrices. La réponse optique de ces dispositifs est décrite en termes de modes mixtes exciton-photon, les polaritons de cavité. Nous avons d'abord effectué une étude théorique et expérimentale d'un mélange à quatre ondes dégénéré, sous excitation résonnante par deux faisceaux pompe se propageant en sens inverse, de même polarisation linéaire. Les états finaux du processus ont une polarisation orthogonale à celle des faisceaux pompes et sont fortement corrélés en intensité. Lorsque les deux faisceaux pompes ont des polarisations croisées, le processus est totalement inhibé. Ce processus permet d'utiliser la microcavité comme une porte logique binaire optique. Nous avons ensuite généré des photons corrélés quantiquement en utilisant un mélange à quatre ondes, sous excitation résonnante par un faisceau pompe, dans une microcavité triple. Enfin, nous avons étudié l'effet Hall optique de spin et mis en évidence la propagation de courants de spin excitonique sur une centaine de microns.
Ce memoire est une contribution a l'etude, par spectroscopie optique ultra-rapide, des phenomenes de coherence optique et de spin relatifs aux etats de polaritons de microcavite. Nous realisons le controle coherent temporel du spin et de la population polaritonique et nous montrons que l'efficacite des processus de diffusion susceptibles de detruire la coherence optique est affaiblie lorsque la particule presente un caractere photon marque. A faible densite, l'analyse des coherences de spin fait apparaitre un blocage de la relaxation du spin et de l'alignement du polariton a desaccord negatif. A plus forte densite, un mecanisme d'emission fortement non-lineaire est observe en regime de couplage fort. Cet effet est interprete en terme de luminescence parametrique stimulee, processus coherent qui repose sur une approche bosonique des polaritons en interaction via l'echange. Sous champ magnetique transverse, des battements quantiques de spin sont observes. Sous excitation resonante, une correlation de spin electron-trou au sein de la composante exciton du polariton est mise en evidence. Enfin, nous montrons que la valeur du module du facteur de Lande effectif transverse de l'electron au sein du polariton est d'autant plus forte que la quasi-particule presente un caractere exciton marque
Spectroscopie cohérente haute résolution d'un fluide de polariton : modes de Bogoliubov, transitions de phase hors équilibre et turbulences Les exciton-polaritons de microcavités semiconductrices sont des quasiparticules résultant de l'habillement de photons de cavité optique par les paires d'électron-trou de puits quantique. En géométrie planaire, leur appartenance à la famille des fluides quantiques a été prouvée maintes fois à travers les observations de phénomènes de cohérence à l'échelle macroscopique, tels que la superfluidité et la condensation de Bose-Einstein. À l'instar des atomes ultrafroids, les polaritons supportent à leur surface un ensemble d'excitations collectives, les modes de Bogoliubov, dont les spectres incorporent les informations clés pour décrire les dynamiques des fluides quantiques. Dans cette thèse, nous présentons une large variété de résultats au sujet de la détection et le contrôle de tels modes dans différentes configurations. Grâce au développement d'une nouvelle méthode de spectroscopie cohérente haute-résolution, nous avons mené une étude détaillée du spectre des excitions collectives des polaritons. En particulier, nous avons révélé l'impact de la nature forcée-dissipative du système sur les dynamiques fondamentales du fluide, en examinant la relation entre les modes de Bogoliubov et la bistabilité polaritonique en pompage cohérent. Ceci nous a conduits à observer, en plus des excitations soniques bien connues des superfluides, des modes précurseurs d'instabilités et la branche fantôme. Qui plus est, nous avons étudié le comportement de transitions de phase hors-équilibres: d'abord, via les effets de la dimension du système sur la bistabilité; puis, avec la génération d'un mode de Goldstone, en conséquence d'une rupture spontanée de symétrie en régime d'oscillation paramétrique. Finalement, nous avons conçu une géométrie de pompage qui permet le contrôle direct des modes d'instabilités entre des solitons sombres d'une paire guidée par un canal d'intensité et menant à la formation d'une avenue de vortex-antivortex dans la densité du fluide.
Les interactions entre polaritons ou excitons dans les cavités de semiconducteurs ont révélé une grande variété d'effets intéressants à la fois pour des raisons purement fondamentales et pour des motivations applicatives [1,2]. En particulier la diffusion paramétrique [2,3] a été proposée comme phénomène à la base de la réalisation de sources de photons jumeaux de taille micrométrique et intégrables. L'oscillation paramétrique optique a été observée dans des systèmes de cavités couplées comme dans des microcavités unidimensionnelles [2,4]. L'avantage de ces systèmes par rapport aux simples cavités planaires est la possibilité de pouvoir les exciter avec un laser de pompe à l'incidence normale, en éliminant éventuellement la contrainte liée au couplage fort [4]. Généralement, une configuration dégénérée en énergie permet d'obtenir le faisceaux Signal et Complémentaire parfaitement équilibrés en intensité, qualité très importante pour l'étude des corrélations entre les deux faisceaux. Dans ce travail nous nous intéressons aux propriétés de cohérence de l'émission paramétrique issue des cavités unidimensionnelles. Nous mesurons le valeur de g(2) à retard zéro avec un interféromètre de HBT , qui nous donne accès à la statistique de l'émission. Nos résultats montrent qu'au niveau du seuil d'oscillation la statistique d'émission change, passant d'une statistique de type thermique à une statistique partiellement cohérente. Néanmoins il est possible de mettre en évidence des différences substantielles avec le comportement attendu dans le cas d'un OPO standard. [1] P.G. Savvidis et al. Phys. Rev. Lett. 84, 1547 (2000) [2] E. Wertz et al., Nat. Phys. 6, 860 (2010) [3] C. Diederichs et al. Nature 440, 904 (2006) [4] M. Abbarchi et al. Phys. Rev. B, 83, 20130(R) (2011)
Cette thèse présente des résultats d'optique quantique sur des effets cohérents dans des microcavités semi-conductrices, constituée d'un puits quantique placé dans une cavité Fabry-Pérot résonante. Le confinement des excitons et des photons permet d'atteindre le régime de couplage fort. Sous excitation résonante, on obtient de l'amplification paramétrique des polaritons, les modes propres du système. Dans la configuration non dégénérée, on met en évidence un régime de bistabilité, sous des conditions analogues à celles dans les OPO. Dans la configuration dégénérée, le mélange à quatre ondes cohérent en phase est de type Kerr. Comme pour les atomes froids, on observe de la bistabilité et la réduction du bruit en dessous de la limite quantique standard. En régime de couplage fort, le champ comprimé est de nature mixte rayonnement-matière. On prend en compte des effets transverses qui modifient l'extension spatiale des polaritons, dont on caractérisé les propriétés de cohérence spatiale.