Effets non linéaires et quantiques dans les microcavités semi-conductrices
Résumé
We study semiconductor microcavities with embedded quantum wells. In such devices the strong coupling regime between the resonant cavity mode and the quantum-well excitons can be achieved. The optical resonances show a doublet structure which is interpreted in terms of mixed exciton-photon modes called cavity polaritons. This work is devoted to the optical nonlinearities coming from Coulomb interactions between excitons and their influence on the quantum fluctuations of the light field.
We show that under resonant excitation at normal incidence, nonlinear effects can be described by a degenerate polariton four-wave mixing providing a Kerr-like nonlinear term. A detailed theoretical study shows that a noise reduction of the reflected field can be achieved. Experimental studies were conducted on a microcavity cooled at 4K and excited by a cw quasi-monochromatic laser. The noise of the outgoing field is measured using a homodyne detection setup. The results are in good qualitative agreement with the model. We observe a bistable behavior at high excitation intensity. We demonstrate the phase dependence of the emission, proving the existence of a coherent nonlinear effect. Noise reduction below the thermal noise coming from quasi-resonant luminescence is also evidenced.
Finally, we conducted a theoretical study of another configuration where the angle of incidence is chosen in order to maximize the efficacy of the non-degenerate polariton four-wave mixing process. Then he system shows strong similarities with a non-degenerate optical parametric oscillator. We show that the intensities of the " signal " and " idler " beams are quantum correlated slightly above the parametric oscillation threshold.
We show that under resonant excitation at normal incidence, nonlinear effects can be described by a degenerate polariton four-wave mixing providing a Kerr-like nonlinear term. A detailed theoretical study shows that a noise reduction of the reflected field can be achieved. Experimental studies were conducted on a microcavity cooled at 4K and excited by a cw quasi-monochromatic laser. The noise of the outgoing field is measured using a homodyne detection setup. The results are in good qualitative agreement with the model. We observe a bistable behavior at high excitation intensity. We demonstrate the phase dependence of the emission, proving the existence of a coherent nonlinear effect. Noise reduction below the thermal noise coming from quasi-resonant luminescence is also evidenced.
Finally, we conducted a theoretical study of another configuration where the angle of incidence is chosen in order to maximize the efficacy of the non-degenerate polariton four-wave mixing process. Then he system shows strong similarities with a non-degenerate optical parametric oscillator. We show that the intensities of the " signal " and " idler " beams are quantum correlated slightly above the parametric oscillation threshold.
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.
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.
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