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Amplification paramétrique et réduction du bruit quantique dans des microcavités semiconductrices

A. Baas

Published Oct 31, 2003• 0 citations
OpenAlex

Abstract

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.

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•Aug 27, 2012•0 citations
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.
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\nNous avons obtenu du squeezing de polaritons par mélange paramétrique à quatre ondes de polaritons dans des microcavités en régime de couplage fort. La géométrie d'excitation corresponds à un mélange à quatre ondes dégénéré, qui donne lieu à un seuil de bistabilité. Des effets spatiaux sont mis en évidence, qui imposent un filtrage spatial pour optimiser la mesure de squeezing. De la mesure de réduction de bruit du champ sortant on déduit un squeezing de 9% des polaritons [1].\n
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).
Je présente dans une première partie mes travaux de recherche sur les microcavités semi-conductrices en régime de couplage fort exciton-photon. Les modes propres dans ces systèmes sont des états mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité, qui présentent de fortes non-linéarités optiques provenant de l'interaction exciton-exciton. Je présente plusieurs applications de ces dispositifs dans les domaines de l'optique quantique (compression du bruit quantique, génération de faisceaux corrélés) des communications optiques et de l'opto-électronique de spin. J'aborde dans la deuxième partie mes activités théorique et expérimentale autour de la spectroscopie de l'ion H2+. Le but de l'expérience, qui a débuté en 2003 à l'université d'Evry, est de mesurer la fréquence d'une transition vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler, et de la comparer à des prédictions théoriques précises pour en déduire une nouvelle détermination du rapport mp/me. Je décris les progrès des calculs de haute précision sur l'ion H2+ (niveaux d'énergie non relativistes, structure hyperfine), ainsi que le dispositif expérimental mis en place et les perspectives de l'expérience.
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)