Cas du processus paramétrique horizontal

Le processus paramétrique interbranches "horizontal" (cf. gure 3.9(b)) est toujours autorisé par les conditions d'accord de phase et de conservation de l'énergie. Le désaccord est déni de la même façon que dans le cas du proces-sus "vertical" : δ = E(2)(0) − EX.

Le potentiel eectif d'interaction V1,1,2,2

0,0,±q et les intensités du signal et du

com-plémentaire sont représentés en fonction du désaccord sur la gure 3.14. Les résultats obtenus dans le cas du processus "vertical" y sont superposés.

-8 -7 -6 -5 -4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 (a) V ( m e V ) (meV) vertical horizontal -8 -7 -6 -5 -4 1E-4 1E-3 (b) I n t e n s i t é ( u . a . ) (meV) signal (vertical) idler (vertical)

signal et idler (horizontal)

Fig. 3.14  (a) Potentiel eectif d'interaction du processus "horizontal" (V1,1,2,2 0,0,±q) et du processus "vertical" (V3(1),1(3),2,2

0,0,0 ) en fonction du désaccord δ. (b) Intensités du signal et du complémentaire (triangles) dans le processus "horizontal" superposées à celles du signal (carrés) et du complémentaire (ronds) dans le processus "vertical" en fonction du désaccord δ.

Comme attendu, nous vérions que les intensités du signal et du complémen-taire sont égales dans la conguration horizontale du processus paramétrique. Le potentiel d'interaction relatif au processus "horizontal" est comparable à celui du processus "vertical". Par exemple, pour le désaccord optimum δ = −6.5 meV,

V₀^1,1,2,2_,0,±q = 0.437 meV, et les intensités du signal et du complémentaire sont alors

Isignal= Icompl´ementaire = V₀^1,1,2,2_,0,±q× |Cpompe|2× |Csignal|2 = 3.87 × 10−4 u.a.

Dans la situation particulière où le processus "vertical" est autorisé par la condition de conservation de l'énergie, ces deux processus sont en compétition.

3.3. Perspectives 93

3.3 Perspectives

Dans les structures multiples, c'est nalement en agissant sur l'espace des phases du photon que les conditions d'accord de phase et de conservation de l'éner-gie sont vériées. Contrairement au cas des microcavités uniques où le régime de couplage fort exciton-photon est indispensable pour l'observation de l'oscillation paramétrique, il est possible d'exploiter les trois modes photoniques couplés an de mettre en évidence des processus paramétriques en régime de couplage faible. Dans ce cas, les conditions d'accord de phase et de conservation de l'énergie peuvent être satisfaites. Les processus "vertical" et "horizontal" précédemment décrits en régime de couplage fort exciton-photon sont schématisés sur la gure 3.15 dans le cas du couplage faible. Le calcul de l'ecacité du processus para-métrique dans ce cas reste à faire, mais la démonstration expérimentale a été eectuée (voir chapitre 4).

Fig. 3.15  Processus de diusion paramétrique "horizontal" et "vertical" en régime de couplage faible exciton-photon.

3.4 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté un nouveau schéma de micro-oscillateur paramétrique optique triplement résonant, imaginé au laboratoire. La nouvelle structure est composée de trois cavités fortement couplées entre elles (couplage optique) dans lesquelles sont insérés les puits quantiques (milieu actif) à l'origine des non-linéarités. Trois modes résonants de polaritons en régime de couplage fort exciton-photon, ou trois modes de photons en régime de couplage faible

exciton-photon, sont alors accessibles pour les fréquences paramétriques. Les deux processus paramétriques interbranches "vertical" et "horizontal" que nous avons décrits dans ce chapitre nous intéressent particulièrement pour répondre aux limi-tations des microcavités simples ou des ls photoniques. Les états naux ont des composantes photoniques importantes voire égales et le couplage fort n'est plus indispensable pour satisfaire les conditions d'accord de phase et de conservation de l'énergie.

Le calcul de l'ecacité de ces diérents processus en régime de couplage fort exciton-photon montre, en comparaison avec les microcavités simples, que leur observation expérimentale est a priori possible. Le prochain chapitre est dédié à la mise en évidence expérimentale d'un régime d'oscillation paramétrique optique dans des microcavités triples.

Chapitre 4

Micro-OPO

Ce chapitre expérimental, qui présente les résultats les plus marquants de ce travail de thèse, est consacré à l'oscillation paramétrique optique dans les micro-cavités triples de semiconducteurs [103]. Comme dans le cas des ls photoniques (cf. chapitre 2), des processus paramétriques interbranches peuvent être imaginés dans ces nouveaux systèmes du fait de la présence d'un multiplet de branches polaritoniques en régime de couplage fort exciton-photon. Nous nous attachons ici à mettre en évidence expérimentalement les deux congurations de processus que nous avons présentées de manière théorique au chapitre 3 : le processus pa-ramétrique "vertical", conguration non dégénérée, où le signal, la pompe et le complémentaire sont en 0◦; et le processus paramétrique "horizontal", congu-ration dégénérée, où la pompe est injectée à incidence normale et le signal et le complémentaire sont émis à des angles opposés.

Nous montrons que l'oscillation paramétrique optique existe dans la microca-vité triple en régime de couplage fort exciton-photon. Mais le résultat le plus ori-ginal est l'observation de l'oscillation paramétrique en régime de couplage faible. Contrairement aux microcavités planaires uniques et aux ls photoniques, le cou-plage fort n'est plus indispensable pour satisfaire les conditions d'accord de phase et de conservation de l'énergie. Ainsi, l'action sur l'espace des phases du photon dans les microcavités triples permet pour la première fois l'extension de l'étude de l'oscillation paramétrique au régime de couplage faible. Les trois modes de cavité couplés sont en eet désormais accessibles pour les fréquences paramétriques.

L'oscillation paramétrique dans la conguration horizontale est aussi un ré-sultat très intéressant puisqu'elle conduit à l'équilibre parfait des intensités du signal et du complémentaire. Nous verrons dans le dernier chapitre du manuscrit comment cette propriété du processus paramétrique "horizontal" nous a permis de mesurer des corrélations quantiques entre le signal et le complémentaire.

Ces deux résultats principaux constituent une importante avancée dans l'amé-lioration de l'ecacité de collection des faisceaux émis et dans la réalisation d'un micro-OPO.

Durant ce travail de thèse, nous avons étudié deux échantillons, diérents par le nombre de puits quantiques et par leur nesse de cavité, que nous caractérisons dans le paragraphe 4.1. Dans le paragraphe 4.2, nous nous intéressons au proces-sus paramétrique "vertical" dans les deux régimes de couplage exciton-photon fort et faible, avant de passer à une étude en puissance de l'oscillation paramétrique dans chacun des échantillons. Nous mettons notamment en évidence un régime particulier d'oscillation paramétrique intracavité qui est décrit dans l'annexe B. Dans le paragraphe 4.3, nous nous concentrons sur le processus paramétrique "horizontal". Le dispositif expérimental d'imagerie par caméra CCD permettant la détection de l'émission en champ lointain des échantillons y est décrit. Nous verrons que la caractérisation précise de cette émission révèle notamment que la symétrie du cristal composant les cavités résonantes est responsable de la sé-lection des modes impliqués dans l'oscillation paramétrique "horizontale". Enn, nous proposons dans le paragraphe 4.4 un schéma d'injection électrique des micro-cavités triples en vue de la réalisation à long terme d'un oscillateur paramétrique optique intégré dans une microstructure de semiconducteurs.

4.1 Caractérisation des microcavités triples

Dans ce paragraphe, nous commençons par la description des deux échan-tillons de microcavités triples que nous avons étudiés pendant ce travail de thèse (Partie 4.1.1). Pour chaque échantillon, nous caractérisons, par des mesures de spectroscopie résolue en angle, l'émission dans le régime linéaire (Partie 4.1.2). Nous confrontons ces caractérisations au modèle théorique exposé au chapitre 3.