Optique quantique et non-linéaire dans des cavités nitrures – QUANONIC

Le confinement de la lumière à l’échelle de la longueur d’onde dans des structures semiconductrices donne lieu, depuis près de 20 ans, à nombre d’études fondamentales tirant partie du renforcement de l’interaction lumière-matière (linéaire et non-linéaire). Le système modèle pour ces études est la famille des arséniures mais elle présente certaines limitations : la faible cohésion de l’exciton, des énergies de confinement puits-barrière assez faibles, et une fenêtre de transparence limitée au proche infrarouge. Les nitrures, semiconducteurs III-N, ont des propriétés singulières, en particulier une forte énergie de liaison excitonique et une plage de transparence qui peut s’étendre jusqu’à 200 nm. Ils sont notamment utilisés pour l’opto-électronique dans les domaines bleu et vert (diodes lasers et diodes électroluminescentes) et la production de lumière blanche. Les nitrures sont déjà massivement utilisés pour le stockage optique haute densité ainsi que le rétroéclairage d’écrans, mais des dispositifs optoélectroniques à plus courte longueur d’onde sont potentiellement intéressants par exemple pour des capteurs biochimiques, la purification, la désinfection et le diagnostic médical. De plus, la possibilité d’intégrer les nitrures sur silicium est une tendance qui se confirme. Pour ces raisons, les nitrures joueront un rôle important dans la réalisation de nouveaux dispositifs photoniques. Il est cependant notoire que les nitrures sont difficiles à processer, ce qui a jusqu’à présent limité les démonstrations expérimentales dans des structures photoniques fortement confinantes.
L’objectif de QUANONIC est d’étudier des effets d’optique quantique et d’optique non-linéaire dans des microdisques et des cristaux photoniques en AlGaN de grande qualité optique. En se basant sur le savoir-faire du consortium en fabrication et étude optique de ces microcavités, plusieurs objectifs seront visés qui représenteront des percées majeures pour le développement de nouveaux dispositifs optoélectroniques sur silicium.
Objectif 1 : Microlasers et couplage fort dans l’UV dans des microcavités III-N.
La fabrication de résonateurs optiques de haute qualité est maintenant maîtrisée par le consortium. Le prochain défi pour atteindre l’émission laser consiste à augmenter le gain dans la zone active par deux approches : i) nous optimiserons la croissance de boîtes quantiques GaN/AlN de grande force d’oscillateur et de grande densité surfacique. Le microlaser et l’effet Purcell seront étudiés en détail. ii) La grande force d’oscillateur de l’exciton dans les nitrures et le haut facteur de qualité des microcavités doivent conduire au régime de couplage fort exciton-photon. Nous explorerons les conditions du couplage fort, à la fois pour des modes confinés et pour des modes étendus de cristaux photoniques. L’objectif ultime sera d’atteindre le régime de laser à polariton.
Objectif 2 : Conversion de fréquence dans des structures nitrures à confinement photonique
Grâce à leur grande plage de transparence et à de forts coefficients non-linéaires, les nitrures sont de très bons candidats pour la conversion de fréquence dans des structures à confinement photonique. Le cristal photonique renforce l’intensité du champ électromagnétique (exaltation des effets non linéaires) et permet aussi de modeler les propriétés réfractives à différentes fréquences. Des conditions originales d’accord de phase seront démontrées comme par exemple la génération contra-propagative de seconde harmonique ainsi que la génération de seconde harmonique « à tous angles » qui sont difficiles ou impossibles à obtenir dans un matériau non-linéaire périodiquement inversé à plus grande échelle. Comme objectif final et ambitieux au projet, nous proposons l’étude du couplage compact entre un laser semiconducteur et une structure photonique III-N pour le doublage de fréquence. Ceci représente une opportunité réaliste de démontrer une source optique compacte émettant dans le domaine 200-250 nm.