Ces travaux de thèse portent sur la conception, la réalisation et la caractérisation de dispositifs à base de puits quantiques semiconducteurs, fonctionnant dans les régimes de couplage fort et ultra-fort entre un mode de cavité et une excitation inter-sous-bande. Les états mixtes issus de ce couplage sont appelés polaritons inter-sous-bandes. Dans la première partie de la thèse, nous démontrons un dispositif électroluminescent dans lequel la branche polaritonique supérieure est peuplée à une énergie qui dépend de la tension appliquée au dispositif. De plus, nous mettons en évidence la relaxation des polaritons vers la branche inférieure par émission d'un phonon optique. Ce processus efficace permet d'atteindre un facteur d'occupation de la branche inférieure de l'ordre de 15%, et pourrait permettre d'obtenir de l'émission stimulée de polaritons. En augmentant la densité d'électrons dans le puits il est possible d'accéder au régime de couplage ultra-fort, caractérisé par une énergie de Rabi comparable avec celle de la transition inter-sous-bande. Pour cela la deuxième partie de la thèse est centrée sur l'étude de puits quantiques très dopés, avec plusieurs sous-bandes occupées. Plus particulièrement, nous réalisons une investigation théorique et expérimentale des interactions coulombiennes entre les plasmons inter-sous-bandes associés aux différentes transitions optiquement actives. Nous présentons un dispositif basé sur un puits quantique avec deux sous-bandes occupées, dans lequel une tension de grille contrôle la densité d'électrons dans le puits, ce qui modifie l'interaction entre les plasmons et donc la réponse optique. Pour des densités élevées, les forces d'oscillateur sont redistribuées en faveur de l'excitation de plus haute énergie. En vertu de ce phénomène, nous démontrons que la réponse optique d'un puits quantique ayant au moins trois sous-bandes occupées exhibe une unique résonance étroite, qui correspond à une excitation collective associant en phase toutes les transitions inter-sous-bandes. Cette excitation collective est observée en absorption et en électroluminescence. Lorsqu'on l'insère dans une microcavité, on atteint le régime de couplage ultra-fort avec une énergie de Rabi qui croît de façon monotone avec la densité d'électrons. Ce régime est démontré expérimentalement dans deux géométries de microcavité : planaire et zéro-dimensionnelle. Nos travaux montrent que l'interaction entre la lumière et la matière dans les puits quantiques dopés doit être pensée comme un processus purement collectif, régi par les phénomènes de cohérence induite par la charge.

Les deux grands défis actuels pour l’optoélectronique térahertz (THz) sont d’une part, le besoin de miniaturiser les sources de rayonnement térahertz, et d’autre part, la nécessité d’améliorer leurs performances actuelles. Parmi les sources de rayonnement térahertz existantes, le laser à cascade quantique (QCL) est à ce jour le meilleur candidat pour remplir ces critères. Afin d’y parvenir, il faut cependant apporter des solutions aux verrous qui limitent la miniaturisation des QCLs THz. Le premier est d’ordre fondamental, et tient au fait que les dimensions des cavités photoniques usuelles sont soumises à la limite de diffraction. Le second verrou provient du fait que la recherche de compacité des sources se traduit généralement par la détérioration de leur puissance optique de sortie et de la directionnalité du faisceau laser. Une nouvelle famille de résonateurs THz métal - semiconducteur - métal (M-SC-M) est présentée de façon théorique et expérimentale. Ces dispositifs, inspirés des oscillateurs électroniques LC, ont permis d’atteindre un volume effectif record Veff=LxLyLz/λeff=5.10−6, où Lx,y,z sont les dimensions de la cavité et λeff est la longueur d’onde de résonance dans le cœur du résonateur (GaAs). Ces résonateurs hybrides photoniques-électroniques ont la particularité d’être libérés de la limite de diffraction dans les trois dimensions spatiales, et bénéficient pour la première fois de toutes les fonctionnalités habituellement réservées aux dispositifs électroniques. Une application aux polaritons inter-sousbandes THz a permis d’obtenir des résultats à l’état de l’art, démontrant d’une part que ces résonateurs hybrides conservent leurs propriétés photoniques, et d’autre part qu’ils permettent un couplage lumière-matière fort. En parallèle de ce travail, la faisabilité d’un QCL THz avec une région active extrêmement fine est démontrée expérimentalement. Une étude systématique des caractéristiques du laser en fonction de l’épaisseur de la région active (Lz) a permis la réduction de Lz=10 μm (≈λeff/2,7) jusqu’à la valeur record de Lz=1,75 μm (≈ λeff/13) dans une cavité Fabry-Pérot M-SC-M. Malgré l’augmentation des pertes optiques, l’effet laser est obtenu au-dessus de la température de l’azote liquide (78 K) pour la région active la plus fine. Ces résultats sont très encourageants pour le développement de régions actives plus performantes, et permettent d’envisager le développement de micro-cavités lasers avec des volumes effectifs extrêmement sub-longueur d’onde. Les perspectives de ce travail de thèse s’étendent de l’électrodynamique quantique en cavité au nanolaser. Les applications potentielles varient énormément en fonction de la configuration des résonateurs hybrides. Ils peuvent être utilisés comme des éléments passifs pour la détection, ou encore comme des éléments actifs tels que des antennes. Enfin, l’utilisation d’une région active fine en combinaison avec un résonateur hybride devrait permettre d’obtenir un QCL THz ultra-compact libéré de la limite de diffraction, tout en introduisant pour la première fois la possibilité d’accorder la fréquence du laser en adaptant l’impédance complexe équivalente de la combinaison d’éléments LC. / The development of terahertz (THz) optoelectronics faces two major challenges: first, a need for miniaturization of the existing radiative sources, and second, an improvement of their performances. Amongst the current sources of THz radiation, quantum cascade lasers (QCLs) represent to date the best candidates to match these two requirements. The integration of compact sources necessarily results in decreased optical output power and laser beam directionality. Therefore, a considerable amelioration of the active region performances must be achieved in parallel with the miniaturization of the dimensions of the photonic cavity. Because the latter are subject to the diffraction limit, which imposes on at least one dimension to be of the order of the effective half wavelength, further miniaturization of photonic devices requires a new approach. In this manuscript, a new class of metal-semiconductor-metal (M-SC-M) THz resonators is presented, both theoretically and experimentally. These devices, inspired by electronic LC resonators, allow to achieve a record effective volume Veff =LxLyLz/λeff =5.10-6, where Lx,y,z are the cavity dimensions and λeff is the effective wavelength resonance inside of the resonator core (GaAs). These devices are intrinsically free from the diffraction limit in the three spatial dimensions, and present the typical functionalities which are usually found only in a resonant electronic circuit. In order to demonstrate that their photonic properties are preserved, these devices have been successfully applied to THz intersubband polariton, demonstrating at the same time that they can be used for strong light-matter coupling. In parallel to this work, the feasibility of a THz QCL operating at λ=100 microns with an extremely thin active region is demonstrated experimentally. A systematic study of the laser characteristics for different thicknesses of the active region (Lz ) resulted in the reduction of Lz = 10 microns (≈λeff/2.7) down to the record value of Lz = 1.75 microns (≈λeff/13) in a M-SC-M Fabry-Perot waveguide. Despite a strong increase in optical losses, lasing is maintained above liquid nitrogen temperature (78 K) in the device with thinnest active region. This unexpected behavior is attributed to the existence of a large fraction of the current flowing through the active region at laser threshold being non-radiative. These results are very promising for future developments of efficient THz QCL active regions, as well as for fabrication of microcavity lasers with extremely low effective volumes. The perspectives of this work extend from cavity quantum electrodynamics to the development of a nanolasers. Potential applications of hybrid resonators can span over a broad range, depending on the chosen configuration. They can be used as passive elements for detection, as well as active elements such as antennas. Finally, the use of a thin active region in combination with an optimized version of these hybrid resonators should allow for the realization of an ultra-compact THz QCL free from the diffraction limit, with the possibility of fine tuning the laser frequency by adapting the equivalent complex impedance combination of the LC elements.

Ce travail de thèse a porté sur l'étude de structures à cascade quantique dans le régime de l'effet Hall quantique. Deux types d'hétérostructures semi-conductrices ont été étudiés : une structure émettrice térahertz et une structure détectrice moyen infrarouge. Dans le premier cas, une mise en évidence claire de l'émission cyclotron a pu être démontrée grâce à la quantification de Landau résultant de l'application d'un champ magnétique perpendiculaire aux couches d'une structure à multi-puits quantiques. Cette étude a permis de réaliser un composant électroluminescent accordable en champ magnétique et émettant directement par la surface. Le mécanisme de diffusion responsable de cette émission est l'interaction électron-électron, un mécanisme de type Auger à Ncorps. Le champ magnétique sert dans ce cas de paramètre extérieur pour créer de nouveaux états électroniques permettant d'observer de l'émission lumineuse non-conventionnelle. L'étude d'un détecteur à cascade quantique à 8 m a été réalisée dans l'obscurité et sous illumination. Les chemins électroniques ont pu être identifiés dans les deux cas. Un modèle de photocourant ainsi que le calcul du temps de vie en fonction du champ magnétique de l'interaction électron-impuretés ionisées ont été développés. Ils ont permis d'identifier les améliorations à réaliser pour la mise en oeuvre de futures caméras basées sur des détecteurs à cascade quantique : importance de la place des impuretés ionisées dans la région active et rôle crucial du dessin de la cascade. Le champ magnétique a montré dans cette deuxième étude son formidable pouvoir d'outil spectroscopique.

Ces dix dernières années ont vu l'essor des nanostructures GaN/Al(Ga)N en raison de leur potentiel pour le développement de technologies intersousbandes (ISB) en optoélectronique, et ce dans le spectre infrarouge complet. Ces technologies sont basées sur des transitions électroniques entre des états confinés de la bande de conduction de nanostructures, telles que les puits quantiques, les boîtes quantiques et les nanofils. Les composés III-nitrures sont prometteurs en particulier pour les domaines de la télécommunication ultra-rapide et de l'optoélectronique infrarouge rapide dans la bande 3-5 µm pour deux raisons : un large offset de bande et des temps de vie ISB inférieurs à la picoseconde. De plus, la grande énergie du phonon longitudinal optique du GaN permet d'envisager la réalisation de lasers à cascade quantique THz fonctionnant à température ambiante et de systèmes optoélectroniques ISB fonctionnant dans la bande 5-10 THz, interdite pour le GaAs. Récemment, plusieurs technologies optoélectroniques ISB basées sur le GaN ont été développées, comprenant des photodétecteurs, des switchs, et des modulateurs électro-optiques. Cependant, plusieurs défis restent à relever, en particulier concernant l'extension vers les grandes longueurs d'ondes et l'amélioration des performances des appareils pompés électriquement. Une des difficultés principales opposées à l'extension des technologies GaN ISB vers le lointain infrarouge résulte de la présence d'un champ électrique interne, qui ajoute un confinement supplémentaire, augmentant ainsi la distance énergétique entre les niveaux électroniques dans les puits quantiques. Pour pallier à ce problème, on propose une structure de puits quantique alternative, dont les multiples couches créent un potentiel pseudo-carré. On discute la robustesse de ce design quant aux variations causées par les incertitudes de croissance, et la possibilité de l'intégrer dans des structures nécessitant un transport électronique par effet tunnel résonnant. On décrit également les structures fabriquées par épitaxie par jets moléculaires et présentant de l'absorption de lumière polarisée TM dans la gamme THz. Enfin on propose un design de laser à cascade quantique basé sur ces puits quantiques pseudo-carrés. L'utilisation d'orientations non-polaires est une autre façon possible d'obtenir des potentiels carrés. Dans ce manuscrit, on compare des structures de multi puits quantiques GaN/Al(Ga)N dont les croissances ont été réalisées sur des substrats massifs de GaN orientés a et m. On montre que les meilleurs résultats en termes de propriétés structurales et optiques (interbandes et ISB) sont obtenues pour les structures plan m. On démontre des absorptions ISB à température ambiante dans la fenêtre 1.5-5.8 µm, dont la limite haute est imposée par la seconde harmonique de la bande de Reststrahlen du GaN. Le contrôle de la relaxation des porteurs dans les technologies ISB prend d'autant plus d'importance pour l'ingénierie de ces structures qu'on en augmente les efficacités. L'existence de temps de vie ISB plus longs dans les systèmes confinés latéralement a été démontrée, motivant ainsi les recherches pour intégrer les nanofils en tant qu'élément actif dans les technologies ISB. De plus, le grand rapport de la surface au volume pour les nanofils permet la relaxation élastique des tensions dues aux différences de paramètres de mailles. Cette relaxation augmente la taille de la région active efficace et améliore sa composition, dépassant les limites des systèmes planaires ou des boîtes quantiques. Dans ce manuscrit, on décrit l'observation expérimentale d'absorption de lumière infrarouge polarisée TM attribuée à la transition intrabande s-pz dans des nanodisques GaN/AlN dopés avec du Ge et insérés dans des nanofils de GaN. On compare les résultats obtenus avec les calculs théoriques, qui prennent en compte la distribution en trois dimensions de la tension, les charges de surface et les effets des corps multiples. / GaN/Al(Ga)N nanostructures have emerged during the last decade as promising materials for new intersubband (ISB) optoelectronics devices, with the potential to cover the whole infrared (IR) spectrum. These technologies rely on electron transitions between quantum-confined states in the conduction band of nanostructures –quantum wells (QWs), quantum dots (QDs), nanowires (NWs). The large conduction band offset between III-N compounds, and their sub-ps ISB recovery times make them appealing for ultrafast telecommunication devices and for fast IR optoelectronics in the 3-5 µm band. Furthermore, the large energy of GaN LO phonon (92 meV) opens prospects for room-temperature THz quantum cascade lasers and ISB devices covering the 5-10 THz band, inaccessible to GaAs. A variety of GaN-based ISB optoelectronic devices have recently been demonstrated, including photodetectors, switches and electro-optical modulators. However, a number of issues remain open, particularly concerning the extension towards longer wavelengths and the improvement of electrically pumped devices performance. One of the main challenges to extend the GaN-ISB technology towards the far-IR comes from the polarization-induced internal electric field, which imposes an additional confinement that increases the energetic distance between the electronic levels in the QWs. In order to surmount this constraint, I propose alternative multi-layer QW designs that create a pseudo-square potential profile. The robustness of the designs in terms of variations due to growth uncertainties, and the feasibility of their integration in devices architectures requiring resonant tunneling transport are discussed. Experimental realizations by molecular-beam epitaxy displaying TM-polarized THz absorption are presented. A quantum cascade laser design incorporating pseudo-square QWs is introduced. An alternative approach to obtain square potential profiles is the use of nonpolar orientations. In this thesis, I compare GaN/Al(Ga)N multi-quantum wells grown on a and m nonpolar bulk GaN showing that the best results in terms of structural and optical (interband and ISB) performance are obtained for m-plane structures. Room-temperature ISB absorption in the range of 1.5–5.8 µm is demonstrated, the longer wavelength limit being established by the second order of the Reststrahlen band in GaN. As ISB devices are pushed towards higher efficiencies, the control of carrier relaxation becomes a key aspect for device engineering. Longer intraband lifetimes have been proven to exist in laterally confined systems, which motivates studies to incorporate NWs as active elements in ISB devices. Furthermore, the large NW surface-to-volume ratio allows misfit strain to be elastically released, extending the viable active region size and composition beyond the limits of planar systems or QDs. In this thesis, I report the experimental observation of TM-polarized IR absorption assigned to the s-pz intraband transition in Ge-doped GaN/AlN nanodisks inserted in self-assembled GaN NWs. Results are compared with theoretical calculations accounting for the 3D strain distribution, surface charges and many-body effects.STAR

Les polaritons inter-sous-bandes, observés pour la première fois il y a une quinzaine d’années, sont des quasi-particules dont de nombreuses propriétés restent encore à découvrir. La recherche dans ce domaine se focalise actuellement sur la réalisation de condensats de Bose-Einstein. Une telle découverte pourrait révolutionner l’optoélectronique du moyen infra-rouge jusqu’au THz ouvrant la voie à l’instauration de nouveaux concepts de sources lumineuses,de détecteurs ou de systèmes logiques en couplage fort. Dans cette quête, le choix de la cavité résonnante est critique. Dans ce manuscrit nous proposons d’utiliser des cavités métal-isolant-métal (M-I-M) avec un réseau dispersif sur le métal supérieur. Ce type de cavité,conservant un confinement élevé entre les deux plans métalliques, offre de nombreuses possibilités d’ajustement de la résonance de cavité : via la géométrie de la cavité ( épaisseur de la cavité, période et recouvrement du réseau) ainsi que par le couplage de la lumière avec la cavité (vecteur d’onde incident). Les cavités M-I-M dispersives ouvrent donc un nouveau champ d’exploration des polaritons inter-sous-bande. Dans un premier temps nous avons introduit ces cavités dans le domaine du THz afin d’étudier les phénomènes de relaxation polariton-polariton. Un système expérimental dédié à cette exploration a été conçu pour mesurer la réflectivité des polaritons THz avec une fine résolution en angle. Dans une second temps, des capteurs moyen infrarouge en couplage fort avec une cavité M-I-M dispersive ont été conçus, fabriqués et mesurés dans le but d’explorer la génération de photo-courant à partir de polaritons et d’utiliser le couplage fort pour dissocier l’ énergie de détection de l’énergie d’activation. Cette seconde étude s’inscrit dans l’objectif de pompage électrique des polaritons ISB. Parallèlement à l’étude des polaritons, nous avons également participé au développement de techniques(interféromètre Gires-Tournois et revêtement anti-réflection) pour compresser les impulsions optiques de lasers à cascade quantique THz. / After fifteen years of intersubband polaritons development some of the peculiar properties of these quasi-particles are still unexplored. A deeper comprehension of the polaritons is needed to access their fundamental properties and assess their applicative potential as efficient emitters or detectors in the mid-infrared and THz.In this manuscript we used Metal-Insulator-Metal (MI-M) cavities with a top metal periodic grating as a platform to deepen the understanding of ISB polaritons.The advantages of M-I-M are twofold : first they confine the TM00 mode, second the dispersion of the cavity -over a large set of in-plane wave-vectors- offers various experimental configurations to observe the polaritons in both reflection and photo-current. We reexamined the properties of ISB polaritons in the mid-infrared and in the THz using these resonators. In the first part, we explore the implementation of dispersive M-I-M cavities with THz intersubband transitions. In the THz domain, the scattering mechanisms of the THz ISB polaritons need to be understood. The dispersive cavity is a major asset to study these mechanisms because it provides more degrees of freedom to the system. For this purpose, we fabricated a new experimental set-up to measure the polariton dispersion at liquid Helium temperature. After the characterization of the polaritons in reflectivity, a pump-probe experiment was performed on the polaritonic devices. The second part of this manuscript presents the implementation of M-I-M dispersive cavities with abound-to-quasi-bound quantum well infrared photo detector designed to detect in strong coupling. Beyond electrical probing of the polaritons, the strong coupling can disentangle the frequency of detection from the thermal activation energy and reduce the dark current at a given frequency. In parallel to the exploration of THz polaritons, we developed two techniques (Gires-Tournois Interferometer and Anti-reflection coating) in order to shorten the pulses of THz quantum cascade lasers with metal-metal waveguides.

Les deux grands défis actuels pour l'optoélectronique térahertz (THz) sont d'une part, le besoin de miniaturiser les sources de rayonnement térahertz, et d'autre part, la nécessité d'améliorer leurs performances actuelles. Parmi les sources de rayonnement térahertz existantes, le laser à cascade quantique (QCL) est à ce jour le meilleur candidat pour remplir ces critères. Afin d'y parvenir, il faut cependant apporter des solutions aux verrous qui limitent la miniaturisation des QCLs THz. Le premier est d'ordre fondamental, et tient au fait que les dimensions des cavités photoniques usuelles sont soumises à la limite de diffraction. Le second verrou provient du fait que la recherche de compacité des sources se traduit généralement par la détérioration de leur puissance optique de sortie et de la directionnalité du faisceau laser. Une nouvelle famille de résonateurs THz métal - semiconducteur - métal (M-SC-M) est présentée de façon théorique et expérimentale. Ces dispositifs, inspirés des oscillateurs électroniques LC, ont permis d'atteindre un volume effectif record Veff=LxLyLz/λeff=5.10−6, où Lx,y,z sont les dimensions de la cavité et λeff est la longueur d'onde de résonance dans le cœur du résonateur (GaAs). Ces résonateurs hybrides photoniques-électroniques ont la particularité d'être libérés de la limite de diffraction dans les trois dimensions spatiales, et bénéficient pour la première fois de toutes les fonctionnalités habituellement réservées aux dispositifs électroniques. Une application aux polaritons inter-sousbandes THz a permis d'obtenir des résultats à l'état de l'art, démontrant d'une part que ces résonateurs hybrides conservent leurs propriétés photoniques, et d'autre part qu'ils permettent un couplage lumière-matière fort. En parallèle de ce travail, la faisabilité d'un QCL THz avec une région active extrêmement fine est démontrée expérimentalement. Une étude systématique des caractéristiques du laser en fonction de l'épaisseur de la région active (Lz) a permis la réduction de Lz=10 μm (≈λeff/2,7) jusqu'à la valeur record de Lz=1,75 μm (≈ λeff/13) dans une cavité Fabry-Pérot M-SC-M. Malgré l'augmentation des pertes optiques, l'effet laser est obtenu au-dessus de la température de l'azote liquide (78 K) pour la région active la plus fine. Ces résultats sont très encourageants pour le développement de régions actives plus performantes, et permettent d'envisager le développement de micro-cavités lasers avec des volumes effectifs extrêmement sub-longueur d'onde. Les perspectives de ce travail de thèse s'étendent de l'électrodynamique quantique en cavité au nanolaser. Les applications potentielles varient énormément en fonction de la configuration des résonateurs hybrides. Ils peuvent être utilisés comme des éléments passifs pour la détection, ou encore comme des éléments actifs tels que des antennes. Enfin, l'utilisation d'une région active fine en combinaison avec un résonateur hybride devrait permettre d'obtenir un QCL THz ultra-compact libéré de la limite de diffraction, tout en introduisant pour la première fois la possibilité d'accorder la fréquence du laser en adaptant l'impédance complexe équivalente de la combinaison d'éléments LC.

L'objectif principal de ces travaux de thèse est d'unifier différentes informations 2D et 3D afin de réaliser une visualisation adaptée dans un environnement client/serveur hétérogène en termes de réseau, de traitement et de ressources mémoire. Dans ce contexte, nous avons exploité la nature multi-résolution de la transformée en ondelettes discrètes (TOD) du codeur JPEG2000. L'unification des données est réalisée par insertion aveugle, synchrone ou partiellement synchrone, des données cachées dans le domaine des ondelettes. Une visualisation 3D classique nécessite au moins deux types de données : une image 2D d'intensité, appelé texture, et une forme 3D pouvant être représentée par une image, un modèle 3D ombré ou un maillage de points. Ce type d'image, parfois également appelé carte de profondeur est une image dans laquelle la valeur des pixels reflète la distance du capteur à la surface par imagerie. La texture est une image 2D couleur qui est apposée sur le modèle 3D après triangulation. Au niveau de l'insertion des données cachées, la carte de profondeur est d'abord transformée dans le domaine des ondelettes tandis que la texture est insérée dans le codeur JPEG2000. Le processus de codage JPEG2000 de la texture est interrompue, et les coefficients 3D sont insérés dans la totalité ou dans un sous-ensemble des sous-bandes de la texture. Les données sont re-intégrées dans le codeur standard de JPEG2000 à l'endroit où l'interruption a été faite. Le fichier résultant peut alors être envoyé à travers tous types de canal de communication comme un autre fichier standard issu du codeur JPEG2000. Les différents niveaux de résolution et le caractère synchronisé de nos algorithmes permettent une visualisation en 3D, même avec peu de sous-bandes de résolution suite à un transfert partiel ou retardé. La méthode permet ainsi d'effectuer une visualisation à partir uniquement d'une fraction des données. Dans ce cas nous remplaçons par des zéros les coefficients des sous-bandes manquantes. La première phase de ce travail a concerné l'imperceptibilité; c'est la raison pour laquelle l'insertion a été réalisée dans les bits de poids plus faibles. La deuxième phase de ces travaux a concerné la robustesse, c'est pourquoi une stratégie d'insertion par étalement de spectres a été utilisée. Au cours de la seconde phase, l'imperceptibilité n'a pas été complètement ignorée, du fait que l'insertion des données est effaçable après l'extraction. Les deux applications principales sont la visualisation 3D de modèles numériques de terrains et de visages. Dans la troisième et dernière phase de ces travaux de thèse, nous avons élargi le problème en essayant de prendre en compte le problème d'assemblage de dalles de niveaux de résolutions différentes sans soudure apparente. Ceci a eté assuré par des fonctions de lissage dans le domaine des ondelettes.