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.