La saturation de l'interaction lumière-matière est une caractéristique inhérente à l'absorption des ondes électromagnétiques par les atomes, les semi-conducteurs et la matière en général. La possibilité de contrôler judicieusement les phénomènes de saturation entraîne des conséquences importantes pour la physique fondamentale ainsi que pour les applications.
Un exemple fondateur est le développement du miroir semi-conducteur à absorbeur saturable (SESAM) basé sur des transitions interbandes dans des puits quantiques de semi-conducteur. Ce développement a révolutionné le domaine des lasers ultrarapides dans les gammes spectrales visible et proche infrarouge, permettant une solution compacte, stable et robuste de générer des impulsions laser ultrabrèves. Les lasers ultrarapides basés sur les SESAMs trouvent désormais des applications dans une multitude de domaines.
Dans la gamme spectrale du moyen-infrarouge du spectre électromagnétique (3µm<<30µm), les lasers à cascade quantique (basés sur des transitions intersous-bandes) sont les laser à base de semi-conducteurs les plus répandus, et les lasers à fibre se développent très rapidement. Ces technologies bénéficieraient de l’existence de SESAMs fonctionnant dans le moyen infrarouge. Malheureusement, les temps de vie et les forces d'oscillateur typiques des transitions intersous-bandes ne sont pas favorables : les intensités de saturation typiques sont de l'ordre de 0.5 à 1 MW/cm2, quelques ordres de grandeur au-dessus de la de puissance de sortie des systèmes lasers compacts dans le moyen infrarouge. Ces valeurs très élevées expliquent pourquoi les absorbeurs saturables et les miroirs SESAM sont absents dans l’optoélectronique moyen infrarouge : ils ne peuvent pas être utilisés avec les sources laser compactes actuelles.

Dans ce contexte, des scientifiques du C2N ont développé une description unifiée de la saturation d'absorption intersous-bandes pour les puits quantiques dans une cavité électromagnétique, à la fois dans les régimes de faible et fort du couplage lumière-matière. Ils ont montré que la nature de la saturation d'absorption est radicalement modifiée lorsqu'on opère dans le régime de couplage fort lumière-matière. Et – en particulier – qu’il est possible de concevoir de structures où la saturation apparait à des puissances de pompage optique modérées.
S'appuyant sur des calculs analytiques, l'article développe un ensemble de formules analytiques simples qui permettent d'évaluer les niveaux de puissance de saturation pour un système intersous-bandes donné. En particulier, la conception d'un SESAM dans l'infrarouge moyen avec une réduction de 3 ordres de grandeur de l'intensité de saturation, jusqu'à 5 kWcm-2, est démontrée. Ce travail ouvre la voie à des miroir semi-conducteur à absorbeur saturable ultra-rapides dans l'infrarouge moyen, qui sont – à l’heure actuelle - encore inexistants.

References
Unified description of saturation and bistability of intersubband transitions in the weak and strong light-matter coupling regimes
Mathieu Jeannin¹, Jean-Michel Manceau¹, Raffaele Colombelli¹
Physical Review Letters, October 2021
DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.187401

¹ Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), CNRS / Université Paris-Saclay, Palaiseau

Contact

•    Raffaele Colombelli, Jean-Michel Manceau, CNRS Researchers at C2N
•    Mathieu Jeannin, post-doc Researcher at C2N

Figure

Figure 1 - (a) Schéma des puits quantiques intégrés dans un réseau de microcavités.
(b) Absorption intersous-bandes en fonction du dopage (ns). Insert : Réflectivité du système en fonction de ns.
(c) Intensité de saturation normalisée (axe de gauche) ou suivant notre proposition (axe de droite) en fonction de ns. La ligne continue noire est l'intensité de saturation asymptotique en régime de couplage faible ; les deux lignes pointillées sont l'intensité de saturation asymptotique en régime de couplage fort (correspondant aux polaritons inférieur et supérieur). La ligne continue rouge est la solution analytique à partir de la théorie des modes couplés. La ligne pointillée noire correspond au dispositif proposé pour un SESAM à faible saturation.
(d) Schéma des deux régimes de fonctionnement et des familles potentielles de dispositifs qui sont envisageables, en fonction de la région de fonctionnement.