H/F Développement de dispositifs unipolaires à base de micro-cavités pour la génération non-linéaire de

Missions :
Contexte :
Les phénomènes optiques non linéaires (NL) jouent un rôle important dans les domaines de la bio-imagerie, de la détection, des communications et dans la conception de nouvelles sources de lumière cohérentes pompées par laser. Dans la gamme spectrale du moyen infrarouge (MIR), des travaux récents concernant la génération de fréquences NL exploitent les transitions inter-sousbande dans des hétérostructures quantiques III-V couplées à des microcavités photoniques ou des métamatériaux [1,2]. Cette approche s’affranchit des contraintes d’accord de phase présentes dans les architectures en guide d’onde, tout en permettant une exaltation du signal NL grâce à l'effet de microcavité.

Missions :
Dans ce projet, nous proposons des dispositifs unipolaires NL couplés à des microcavités de type complètement nouveau, permettant l’exploitation non seulement des effets de microcavité mais également des effets électroniques collectifs qui apparaissent dans le cas de très hautes densités de porteurs. Ce dernier degré de liberté a été négligé jusqu'à présent, bien qu’une théorie quantique développée récemment pour les phénomènes NL dans ce régime, prévoie des améliorations de plusieurs ordres de grandeur des performances des dispositifs par rapport à l'état de l'art, à la fois en termes d’efficacité de conversion et de rendement quantique [3]. A partir de ces nouvelles connaissances, les objectifs principaux de ce projet sont la démonstration de sources cohérentes (1) MIR (lambda~4-6um) et (2) Terahertz (lambda ~100-200um), exploitant respectivement la génération de seconde harmonique et de différence de fréquences. Les efficacités visées dépassent de plusieurs ordres de grandeur celles atteintes à présent par les sources NL à base de microcavités [2].
[1] Q. Lin et al. Optica 10, 1700, (2023)
[2] M. Hakl et al. ACS Photon. 8, 464–471 (2021).
[3] Lin et al. arXiv:2501.06091v2 (accepted for publication -APL Photon. March 2025)


Activités :
• Design électromagnétique des microcavités à l’aide des codes de simulation aux éléments finis. Objectif principal: obtenir un modèle prédictif pour l’optimisation du couplage lumière-matière, en fonction de la géométrie du réseau de microcavités et du niveau de dopage.
• Fabrication en salle blanche de réseaux de microcavités selon un process-flow bien établi au sein de l’équipe [1,2].
• Caractérisation optique des microcavités à l’aide d’un spectromètre à transformée de Fourier, par illumination avec (1) une source thermique large bande, (2) un couple de lasers à cascade quantique, (3) une source impulsionnelle générant un train d’impulsions MIR de ~150fs de durée temporelle. Objectif principal : détermination de la réponse NL.
[1] Q. Lin et al. Real-time, chirped-pulse heterodyne detection at room temperature with 100 GHz 3-dB-bandwidth mid-infrared quantum-well photodetectors, Optica 10, 1700–1708 (2023)
[2] Q. Lin et al. Room-temperature, continuou
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