TRADUCTION EN FRANÇAIS FAITE AVEC DEEPL : À VÉRIFIER

Les phénomènes optiques non linéaires (NL) jouent un rôle important dans l’imagerie biologique avancée, la détection, les communications et la conception de nouvelles sources de lumière cohérentes pompées par laser. Dans la gamme de l’infrarouge moyen (MIR), des travaux récents sur la génération de fréquences NL exploitent les transitions intersubbandes dans des hétérostructures quantiques III-V couplées à des microcavités photoniques et des métamatériaux. Cette approche est libre des contraintes de correspondance de phase requises par les architectures de guides d’ondes, tout en offrant une amélioration du signal NL grâce à la présence de la microcavité. Dans UNICORN, nous proposons un nouveau type de dispositifs unipolaires NL couplés à une microcavité, qui tirent parti non seulement des effets de microcavité, mais aussi des effets électroniques collectifs apparaissant dans le régime des très hautes densités électroniques. Ce dernier degré de liberté a été négligé jusqu’à présent, mais une théorie quantique que nous avons récemment développée pour les phénomènes NL dans ce régime estime une amélioration de plusieurs ordres de grandeur des performances des dispositifs par rapport à l’état de l’art, tant en termes d’efficacité de conversion que d’efficacité quantique d’absorption. Sur la base de ces connaissances, nous visons deux objectifs. Tout d’abord, la démonstration de photodétecteurs MIR à deux photons et à puits quantiques multiples fonctionnant à 10 um à température ambiante. Par rapport aux photodétecteurs conventionnels, nous espérons réduire leur courant d’obscurité à 300 K de plusieurs ordres de grandeur, tout en conservant des niveaux de réactivité similaires. Notre deuxième objectif est la démonstration de sources cohérentes MIR (4-6 µm) et térahertz (100-200 µm) basées respectivement sur la génération de seconde harmonique et de fréquence différentielle, avec des rendements supérieurs de plusieurs ordres de grandeur à ceux des sources à semi-conducteurs à microcavité NL actuelles, en tirant parti du fort couplage lumière-matière et des effets électroniques collectifs.

Nonlinear (NL) optical phenomena play an important role for advanced bio-imaging, sensing, communications, and in the conception of novel laser-pumped coherent sources of light. In the mid-infrared (MIR) range, recent works on NL frequency generation exploit intersubband transitions in III-V quantum heterostructures coupled to photonic microcavities and metamaterials. This approach is free from the phase-matching constraints required by waveguide architectures, while, additionally, providing an enhancement of the NL signal thanks to the presence of the microcavity. In UNICORN, we propose a new type of microcavity-coupled NL unipolar devices, which takes advantage not only of microcavity effects but also of the collective electronic effects appearing in the regime of very high electronic densities. This last degree of freedom has been overlooked so far, however a quantum theory that we developed recently for NL phenomena in this regime estimates orders of magnitude improvement in device performance compared to the state of the art, both in terms of conversion efficiency and absorption quantum efficiency. Based on this knowledge, we target two objectives. First, the demonstration of room temperature, two-photon MIR multi-quantum-well photo-detectors operating at 10um. Compared to conventional photodetectors, we expect to reduce their dark current at 300K by several orders of magnitude, still keeping similar levels of responsivity. Our second objective is the demonstration of MIR (4-6um) and Terahertz (100-200um) coherent sources based respectively on second harmonic and difference frequency generation, with several orders of magnitude higher efficiencies compared to present NL microcavity semiconductor sources, by leveraging on strong light-matter coupling and collective electronic effects.