Strong light matter coupling in semiconductor nanostructures. Nonlinear effects and applications

Exciton-polaritons, mixed light-matter particles are on their way to break into the world of optoelectronic devices thanks to unique properties and nonlinear effects in polariton systems. The present thesis is devoted to the investigation of nonlinear effects and applications of exciton-polaritons. The first part of the thesis investigates nonlinear effects such as the polariton parametric oscillator and the polariton bistability: A new mathematical approach in between the semiclassical and the fully coherent picture is developed and the crucial impact of fluctuations on the bistability is in the focus of this work. Applications of excitonpolaritons are the subject of the second part. ZnO based structures are suited candidates for room temperature polariton lasing and we simulate such a structure numerically in dependence of the quality factor and the Rabi splitting. Beside the laser, the unique spin structure opens a lot of possibilities. In analogy to the spintronic Datta and Das spin transistor a new polaritonic spin transistor is developed and presented. Also other analogies, such as the Josephson effect are predicted for polaritons. This effect is complex enough to show chaotic behavior in some parameter range. The chaotic oscillations can be used for secure communication. The last part of the thesis is devoted to 0D polaritons and to an on-chip source of entangled photon pairs. Existing problems blocking the realization of highly correlated two-photon sources based on the biexciton decay in quantum dots can be overcome in the strong coupling regime.
Les excitons-polaritons sont des particules mixtes de lumière et de matière. Ils peuvent être le futur des applications optoélectoniques, en vertu de leur réponse optique non-linéaire qui est extrêment forte. Cette thèse est consacrée aux effets non-linéaires et aux applications variées des excitons-polaritons dans les nanostructures à base de semi-conducteurs. Les microcavités planaires et les polaritons 2D sont étudiés dans les premiers chapitres, alors que le dernier chapitre est consacré à l'étude du système de boites quantiques en cavité (polaritons 0D). L'oscillateur paramétrique et la bi stabilité sont le sujet de la première partie de la thèse. Une approche mathématique intermédiaire entre les approches semi-classiques et purement cohérente est présentée. L'impact des fluctuations proches du seuil de bi stabilité est étudié. La deuxième partie est consacrée à la présentation de différentes applications basées sur les propriétés des polaritons. Un laser à polaritons basé sur une cavité de ZnO est modélisé et les résultats soulignent les avantages de l'utilisation de ce matériau pour la réalisation de ce type d'application à température ambiante. La structure de spin particulière des polaritons est par la suite utilisée pour proposer deux nouvelles applications. La première est un analogue optique du transistor de spin pour les électrons, appelé transistor Datta et Das. La deuxième propose d'utiliser le comportement chaotique d'une jonction Josephson polaritonique afin d'implémenter un système de crytage chaotique d'un signal. Le dernier chapitre est consacré aux polaritons 0D. Nous montrons comment la réalisation du régime de couplage fort permet de réaliser une source de photons intriqués basée sur le déclin du bi exciton dans une boite quantique en résolvant un certain nombre de difficultés par rapport au système constitué d'une boite quantique simple.