Spectroscopy of polariton condensates in GaN and ZnO-based microcavities and waveguides

Ce manuscrit de thèse est consacré aux condensats de polaritons dans deux semi-conducteurs à grand gap : GaN et ZnO. La première partie de ce travail se concentre sur l’étude par spectroscopie optique de deux microcavités planaires (une de GaN, l’autre de ZnO) présentant des structures et des propriétés photoniques identiques. Le régime de couplage fort lumière-matière et l’effet laser à polaritons ont pu être observés de 5 K à 300 K pour les deux microcavités. La réalisation de diagrammes de phase a mis en évidence l’impact variable des résonances avec les phonons LO sur l’abaissement du seuil laser. L’étude de la microcavité GaN a été poussée jusqu’à 350 K et nous avons pu démontrer, pour la première fois à cette température, la persistance du couplage fort et du laser à polaritons pour des conditions d’excitations optimales. La deuxième partie de ce travail est focalisée sur des guides d’onde de ZnO. Outre l’observation du régime de couplage fort de 5 K à 300 K, notre étude a pu mettre en exergue un phénomène laser inédit dans cette géométrie : le laser à polaritons horizontal.This manuscript is devoted to polariton condensates in two wide band gap semiconductors: GaN and ZnO. The first part of this work focuses on the study by optical spectroscopy of two planar microcavities (one of GaN, the other of ZnO) sharing the same structure and the same photonic properties. The strong coupling and polariton lasing regime have been observed from 5 K to 300 K in both microcavities. The realization of phase diagrams has pointed out the inconstant impact of resonances with LO phonons on the lowering of the laser threshold. The study of the GaN microcavity has been pushed to 350 K and we have demonstrated, for the first time at this temperature, the persistence of the strong coupling regime and the polariton laser under optimal excitation conditions. The second part of this work is focused on ZnO waveguides. Besides the observation of strong coupling regime from 5 K to 300 K, our study has highlighted a new lasing effect in this geometry: the horizontal polariton laser

Spectroscopie de condensats polaritoniques dans des microcavités et guides d’onde à base de GaN et ZnO

This manuscript is devoted to polariton condensates in two wide band gap semiconductors: GaN and ZnO. The first part of this work focuses on the study by optical spectroscopy of two planar microcavities (one of GaN, the other of ZnO) sharing the same structure and the same photonic properties. The strong coupling and polariton lasing regime have been observed from 5 K to 300 K in both microcavities. The realization of phase diagrams has pointed out the inconstant impact of resonances with LO phonons on the lowering of the laser threshold. The study of the GaN microcavity has been pushed to 350 K and we have demonstrated, for the first time at this temperature, the persistence of the strong coupling regime and the polariton laser under optimal excitation conditions. The second part of this work is focused on ZnO waveguides. Besides the observation of strong coupling regime from 5 K to 300 K, our study has highlighted a new lasing effect in this geometry: the horizontal polariton laser.Ce manuscrit de thèse est consacré aux condensats de polaritons dans deux semi-conducteurs à grand gap : GaN et ZnO. La première partie de ce travail se concentre sur l’étude par spectroscopie optique de deux microcavités planaires (une de GaN, l’autre de ZnO) présentant des structures et des propriétés photoniques identiques. Le régime de couplage fort lumière-matière et l’effet laser à polaritons ont pu être observés de 5 K à 300 K pour les deux microcavités. La réalisation de diagrammes de phase a mis en évidence l’impact variable des résonances avec les phonons LO sur l’abaissement du seuil laser. L’étude de la microcavité GaN a été poussée jusqu’à 350 K et nous avons pu démontrer, pour la première fois à cette température, la persistance du couplage fort et du laser à polaritons pour des conditions d’excitations optimales. La deuxième partie de ce travail est focalisée sur des guides d’onde de ZnO. Outre l’observation du régime de couplage fort de 5 K à 300 K, notre étude a pu mettre en exergue un phénomène laser inédit dans cette géométrie : le laser à polaritons horizontal

Monolithic ZnO optical microcavities : from materials science to room-temperature polariton laser

International audienc

Edge-emitting polariton laser and amplifier based on a ZnO waveguide

International audienceWe demonstrate edge-emitting exciton-polariton (polariton) laser operation from 5 to 300 K and polariton amplifiers based on polariton modes within ZnO waveguides. The guided mode dispersion below and above the lasing threshold is directly measured using gratings placed on top of the sample, fully demonstrating the polaritonic nature of the lasing modes. The threshold is found to be smaller than that expected for radiative polaritons in planar ZnO microcavities below 150 K and comparable above. These results open up broad perspectives for guided polaritonics by enabling easier and more straightforward implementation of polariton integrated circuits that exploit fast propagating polaritons, and, possibly, topological protection

Gap solitons in a one-dimensional driven-dissipative topological lattice

International audienceNonlinear topological photonics is an emerging field that aims to extend the fascinating properties of topological states to a regime where interactions between the system constituents cannot be neglected. Interactions can trigger topological phase transitions, induce symmetry protection and robustness properties for the many-body system. Here, we report the nonlinear response of a polariton lattice that implements a driven-dissipative version of the Su–Schrieffer–Heeger model. We first demonstrate the formation of topological gap solitons bifurcating from a linear topological edge state. We then focus on the formation of gap solitons in the bulk of the lattice and show that they exhibit robust nonlinear properties against defects, owing to the underlying sublattice symmetry. Leveraging the driven-dissipative nature of the system, we discover a class of bulk gap solitons with high sublattice polarization. We show that these solitons provide an all-optical way to create a non-trivial interface for Bogoliubov excitations. Our results show that coherent driving can be exploited to stabilize new nonlinear phases and establish dissipatively stabilized solitons as a powerful resource for topological photonics