Optical Nonlinearities in the Strong Light-Matter Coupling Regime

Dans le régime linéaire, deux faisceaux lumineux se traversent sans être perturbés. Cependant, en présence de non-linéarités optiques, de nombreux effets technologiquement intéressants peuvent être observés, tels que la génération de nouvelles fréquences optiques et le contrôle d'un faisceau par un autre. En raison des faibles non-linéarités présentes dans les cristaux optiques, des puissances optiques élevées sont généralement requises pour observer de tels effets non linéaires. Dans certaines applications, telles que la génération de lumière cohérente, le fonctionnement à haute puissance n'est pas problématique. En fait, les techniques de mélange de fréquences et de génération d'harmoniques sont amplement utilisées dans les sources lumineuses commerciales avec des longueurs d'onde d'émission allant de l'ultraviolet profond aux régions infrarouges lointaines du spectre. Il existe toutefois de nombreuses applications en développement dans lesquelles le fonctionnement à faible consommation est essentiel. Dans le domaine du calcul optique, par exemple, des transistors optiques fonctionnant avec des centaines de photons seulement sont nécessaires pour permettre la fabrication de processeurs optiques plus rapides et plus efficaces que les processeurs électroniques. De tels systèmes bénéficieraient également d'une conversion de fréquence à basse puissance afin d'interfacer les signaux optiques de différentes fréquences sur le même circuit photonique. Pour que le fonctionnement à faible puissance devienne possible, de très grandes non-linéarités optiques sont nécessaires. Un système dans lequel les non-linéarités optiques sont si fortes que l'arrivée d'un seul photon peut bloquer la transmission d'un autre est celui d'un seul émetteur quantique placé dans une cavité optique de haute qualité. Les principaux inconvénients de tels systèmes sont leur complexité technologique, leur faible évolutivité et leur fonctionnement à des températures cryogéniques. Dans cette thèse, nous étudions une approche alternative pour améliorer les non-linéarités optiques dans laquelle une collection d'émetteurs est amenée à interagir fortement avec la lumière, créant des quasiparticules lumière-matière appelées exciton-polaritons. Par rapport aux systèmes basés sur des émetteurs uniques, notre approche est plus simple et compatible avec le fonctionnement à température ambiante.

Abstract

In the linear regime, two light beams will go through one another unperturbed. However, in the presence of optical nonlinearities, many technologically interesting effects can be observed, such as the generation of new optical frequencies and the control of one beam by another. Due to the small nonlinearities found in optical crystals, high optical powers are typically required to observe such nonlinear effects. In some applications, such as in coherent light generation, high power operation is not problematic. In fact, frequency mixing and harmonic generation techniques are extensively used in commercial light sources with emission wavelengths ranging from the deep ultraviolet to the far infrared regions of the spectrum. There are, however, many developing applications in which low power operation is critical. In the field of optical computation, for instance, optical transistors operating with only hundreds of photons are required to enable the fabrication of optical processors that are faster and more efficient than electronic ones. Such systems would also benefit from low power frequency conversion in order to interface optical signals of different frequencies to the same photonic circuit. For low power operation to become feasible, very large optical nonlinearities are required. One system in which optical nonlinearities are so strong that the arrival of a single photon can block the transmission of another is that of a single quantum emitter placed inside a high quality optical cavity. The main drawbacks of such a system are their technological complexity, low scalability and operation at cryogenic temperatures. In this thesis, we study an alternative approach to enhancing optical nonlinearities, in which a collection of emitters is made to interact strongly with light, creating mixed light-matter quasiparticles called exciton-polaritons. Compared to systems based on single emitters, our approach is of simpler implementation and is compatible with room-temperature operation. Under resonant excitation, polaritons interact strongly through their excitonic component and have allowed for the demonstration of a number of nonlinear effects at room temperature. After reviewing the main properties of exciton polaritons, we investigate different ways in which polariton nonlinearities can be used for frequency mixing and harmonic generation, as well as for implementing novel nonlinear devices based on interacting polariton fluids. In the first case, we consider systems in which the excitonic material embedded in a planar microcavity has a large second- or third-order optical nonlinearity.