The main objectives defined in this project concern: i) the

Proposition de sujet de thèse 2010
Etudes des propriétés non linéaires et dynamiques des
nanostructures à boites quantiques
Lieu de la thèse :
Laboratoire FOTON-INSA, Bâtiment 10
Institut National des Sciences Appliquées de Rennes
20, Avenue des Buttes de Coësmes, CS 70839
F – 35708 Rennes Cedex 7
Directeur de laboratoire : Alain Le Corre
Directeurs de thèse : Slimane Loualiche
[email protected]
tél : 02 23 23 86 19
Le sujet concerne l’exaltation d’effets non-linéaires dans des nanostructures à boîtes
quantiques 0D (QDN). Le facteur de couplage phase-amplitude et la susceptibilité nonlinéaire d’ordre 3 seront optimisés, à l’échelle nanométrique, pour des applications de type
traitement de signal tout-optique à très haut débit à 1,55 µm de longueur d’onde dans des
formats complexes de modulation phase-amplitude.
Les réseaux haut débit à multiplexage dense en longueur d’onde ont besoin de
structures de traitement du signal tout optique performantes. Les QDN peuvent présenter
des réponses non linéaires lors de fortes injections de porteurs : Exciton, bi-exciton et des
associations plus complexes de paires électron-trou ont été déjà observées. L’absorption
optique de QDN commence à saturer (1% de variation) à des hauts niveaux d’injection
optiques (~ 6µJ.cm-2) sur des QDN InAs/InP à 1.55 µm [1]. La dynamique de relaxation [2] et
de formation des états excitoniques dans des QDN ont été étudiées par des techniques
optiques [3] et plus récemment sur des structures adaptées aux télécommunications
optiques [4]. La mise en évidence de ces non linéarités sur ces nanostructures ont permis de
donner une explication sur le fonctionnement d’une nouvelle classe de lasers modes bloqués
à 1.55 µm à base de fils quantiques dont les fréquences de répétition dépassent plusieurs
centaines de GHz avec une durée d’impulsion qui reste bien en dessous de la picoseconde
[5].
Dans ce projet, une analyse théorique k.p et un modèle traitant la dynamique des
porteurs seront alors développés afin d’approfondir la description des propriétés dynamiques,
non linéaires et de polarisation des QDN. Ce travail fondamental permettra de proposer des
améliorations sur la qualité des QDN et sur leurs performances. Ces QDN seront réalisées
par une croissance par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Les conditions de croissance
seront choisies afin de favoriser les organisations surfacique et verticale des boites
quantiques dans le but d’améliorer leurs propriétés dynamiques et non linéaires.
L’un des verrous à lever dans cette étude concerne l’ingénierie de la contrainte, à
l’échelle nanométrique, en vue d’aboutir à des dispositifs en onde guidée insensibles à la
polarisation de la lumière. Des moyens de caractérisations nanostructurales à haute
résolution seront mis en œuvre afin d’analyser en profondeur les compositions chimiques,
l’organisation latérale et verticale.
Les meilleures QDN seront insérées en guide optique monomode afin d’évaluer tout leur
potentiel applicatif. Des expériences ultra-rapides de pompe sonde et de photoluminescence
résolue en temps permettront de tester ces propriétés dynamiques, non linéaires et de
polarisation.
Les retombées du sujet incluent en particulier l’optimisation de lasers à modes bloqués de
haute performance et des amplificateurs optiques aussi bien pour le traitement tout-optique
de signaux ultra-rapides que pour le contrôle de la vitesse de la lumière pour des
applications de type opto-hyperfréquences.
1- J. Inoue et al, Appl. Phys. Lett. 89, p.151117, 2006
2- T.W. Berg, S. Bischoff, I. Magnusdottir, J. Mork, IEEE PTL 13, P. 541, 2001
3- P. Borri et al, Phys. Rev. Lett. 87, p.157401, 2001
4- Junko Ishi Ayase et al phys. Stat. Sol. (c) 6, p. 162, 2009
5- K. Merghem et al, Appl. Phys. Lett. 94, p. 021107, 2009