Nos résultats montrent que les lasers à polaritons ont un degré de cohérence du second ordre très proche de 1, comme attendu pour une source laser standard. La polarisation initiale de l’émission des polaritons est stochastique et n’est pas entièrement déterminée par la séparation de polarisation intrinsèque (pour les valeurs modérées observées dans nos échantillons). Elle est aussi influencée par la brisure de symétrie spontanée inhérente à l’effet laser et peut conduire à l’établissement du laser dans tout état de polarisation. Cette séparation de polarisation intrinsèque à deux effets : (i) elle favorise l’établissement de l’effet laser dans la polarisation parallèle à l’axe de séparation et, (ii) elle cause la précession de la polarisation après son initialisation. L’initialisation stochastique de la polarisation et ces oscillations consécutives ne sont pas exclusives aux polaritons et devraient être aussi présentes dans un laser à photons conventionnel dans les VCSEL [150].
Par la suite, il serait intéressant d’étudier la relation entre la cohérence temporelle du second ordre g(2)(t,τ ) et la cohérence spatiale g(1)(x) dans des microstructures de dimen-sionnalité différente.
précise de g(2)(τ = 0) et nous chercherons à mesurer des statistiques d’émission particulières comme celle attendue dans le cas du blocage de polaritons, pour lequel le dégroupement de photons entraînerait idéalement g(2)(τ = 0) = 0. Même pour les nonlinéarités faibles de notre système, où la présence d’un polariton dans le pilier produirait un shift de 0,3 µeV, à comparer avec la largeur de raie Γ = 100 µeV, un dégroupement de photons de l’ordre de 10−5 est espéré [151].
Deuxième partie
Dispositifs
Introduction générale
Les dispositifs tout optiques, utilisant les photons pour transporter l’information au lieu d’électrons, ont longtemps été considérés comme les successeurs des dispositifs élec-troniques. En effet, le recours aux photons devrait en théorie permettre d’améliorer gran-dement les pertes, la consommation et la vitesse des dispositifs [152, 153]. Pour rivaliser avec les succès de l’électronique intégrée, il est nécessaire de déterminer les éléments de base permettant l’élaboration de circuits photoniques intégrés sur puce [154, 155]. L’ar-chitecture standard d’un dispositif optique actif, s’inspirant de celle d’un dispositif élec-tronique, requiert deux éléments fondamentaux : des composants non-linéaires localisés où l’information est lue, modifiée ou mémorisée ; et des guides optiques pour transporter les signaux d’un composant à l’autre. Au cours des dix dernières années, le développe-ment des nanotechnologies a renouvelé l’intérêt de la recherche sur les dispositifs optiques. Aujourd’hui, de nombreux types de composants photoniques non-linéaires sont étudiés. Ils peuvent prendre la forme de résonateurs de taille micrométrique possédant un grand facteur de qualité (microcavité à cristaux photoniques [156–158], résonateur en anneau/disque en silicium [159–161]) dans le but d’améliorer les non-linéarités optiques (effet Kerr optique, absorption à deux photons, non-linéarité induite par les porteurs ou effet thermo-optique) au sein d’un réseau de guides d’onde micrométriques.
Figure 2.20 – Image au microscope électronique du résonateur en anneau couplé à un guide d’onde. La structure entière est montrée dans l’encadré. Figure extraite de [159].
Un switch tout optique a été réalisé par le groupe de M. Lipson [159] sur ce principe de résonateurs en anneau [Fig. 2.20]. Différents groupes ont ont pu exploiter ces résultats et réaliser plusieurs routeurs ayant une entrée et une sortie dans chaque direction (Nord, Sud, Est, Ouest) permettant de rediriger un flux de photons entrant vers la sortie voulue [162, 163]. Le principal problème de ce type de dispositif est sa dimension importante (environ 400x600 µm2), causée par la faible valeur des non-linéarités dans le silicium, ce qui ne permet pas d’envisager une application à grande échelle.
Les polaritons de microcavité semiconductrice ont émergé récemment comme une nou-velle plateforme pour les dispositifs tout optiques. La nature mixte lumière/matière de ces quasi-particules leur permet de se propager de manière balistique sur des distances
macroscopiques (centaines de microns) à une vitesse de l’ordre d’un dixième de la vitesse de la lumière grâce à leur composante photonique [15]. Leur partie excitonique apporte une non-linéarité de type Kerr géante (χ(3)) [16, 17] qui est plusieurs ordres de grandeur plus large que la non-linéarité Kerr dans les semiconducteurs massifs [18]. Ainsi, l’énergie nécessaire à l’apparition d’effets non-linéaires dans un dispositif à polaritons promet d’être plus faible que n’importe quel autre système pour une surface donnée. Les polaritons mi-crocavité sont donc une plateforme intéressante pour la photonique intégrée où l’émission cohérente, le guidage optique et la non-linéarité pourraient être combinés sur une même puce.
Chapitre 3
Routeur à polariton
3.1 Introduction
Les polaritons dans les microcavités semiconductrices ont suscité un intérêt croissant autant pour leur propriétés fondamentales [81, 164] que pour leurs applications potentielles. Nous étudierons plus en détail les dispositifs liés à la non-linéarité Kerr dans la section suivante. Un autre moyen d’interaction peut être exploité, la nature duale des polaritons leur permettant d’interagir fortement avec leur environnement et notamment avec le réser-voir d’excitons présent lors d’une excitation non résonante. L’exploitation des interactions entre les polaritons et le réservoir d’exciton a permis la démonstration de principe de dis-positifs tels que les transistors optiques [165], des portes logiques [166], des diodes tunnel résonantes [29] et des interféromètres [28].
Nous implémentons dans la suite un routeur à polaritons permettant de choisir la di-rection de propagation d’impulsions de polaritons. Cette nouvelle fonctionnalité contribue à la création de circuits polaritoniques plus complexes.