Exaltation multicorps du couplage lumière-matière

This work focuses on the design, the realization and the characterization of devices, based on semiconductor quantum wells and operating in the strong or ultra-strong coupling regime between an intersubband excitation and a microcavity mode. The mixed states issued from this coupling are the so-called intersubband polaritons. In the first part of this work, we demonstrate an electroluminescent device working in the strong coupling regime, in which the upper polariton branch is populated at a voltage dependent energy. Furthermore, we observe a relaxation from the upper to the lower branch by means of the emission of an optical phonon. Thanks to this efficient process, the occupancy of the lower branch reaches about 15 % and could lead to stimulated emission of polaritons. By increasing the electronic density in the well, it is possible to reach the ultra-strong coupling regime, characterized by a Rabi energy of the same order of magnitude as the intersubband transition energy. For this reason, the second part of this work is devoted to the study of highly doped quantum wells, with several occupied subbands. In particular, we theoretically and experimentally investigate the Coulomb interaction between the intersubband plasmons associated to the different optically active transitions. We present a device based on a quantum well with two occupied subbands, in which a gate voltage controlling the electronic density modifies the interaction between plasmons and thus the optical response. For the highest densities the oscillator strength is redistributed into the high energy peak. Owing to to this phenomenon, we demonstrate that the optical response of a quantum well with at least three occupied subbands presents a single sharp resonance that corresponds to a collective excitation associating in phase all the intersubband transitions. This collective excitation is observed both in absorption and electroluminescence measurements. The ultra-strong coupling regime is demonstrated by inserting the quantum well in both a planar and a metal - dielectric - metal microcavity. Furthermore, we demonstrate that the Rabi energy increases monotonously with the electronic density in the well. This work shows that the light-matter interaction in highly doped quantum wells has to be considered as a purely collective process driven by charge induced coherence.Ces travaux de thèse portent sur la conception, la réalisation et la caractérisation de dispositifs à base de puits quantiques semiconducteurs, fonctionnant dans les régimes de couplage fort et ultra-fort entre un mode de cavité et une excitation inter-sous-bande. Les états mixtes issus de ce couplage sont appelés polaritons inter-sous-bandes. Dans la première partie de la thèse, nous démontrons un dispositif électroluminescent dans lequel la branche polaritonique supérieure est peuplée à une énergie qui dépend de la tension appliquée au dispositif. De plus, nous mettons en évidence la relaxation des polaritons vers la branche inférieure par émission d'un phonon optique. Ce processus efficace permet d'atteindre un facteur d'occupation de la branche inférieure de l'ordre de 15%, et pourrait permettre d'obtenir de l'émission stimulée de polaritons. En augmentant la densité d'électrons dans le puits il est possible d'accéder au régime de couplage ultra-fort, caractérisé par une énergie de Rabi comparable avec celle de la transition inter-sous-bande. Pour cela la deuxième partie de la thèse est centrée sur l'étude de puits quantiques très dopés, avec plusieurs sous-bandes occupées. Plus particulièrement, nous réalisons une investigation théorique et expérimentale des interactions coulombiennes entre les plasmons inter-sous-bandes associés aux différentes transitions optiquement actives. Nous présentons un dispositif basé sur un puits quantique avec deux sous-bandes occupées, dans lequel une tension de grille contrôle la densité d'électrons dans le puits, ce qui modifie l'interaction entre les plasmons et donc la réponse optique. Pour des densités élevées, les forces d'oscillateur sont redistribuées en faveur de l'excitation de plus haute énergie. En vertu de ce phénomène, nous démontrons que la réponse optique d'un puits quantique ayant au moins trois sous-bandes occupées exhibe une unique résonance étroite, qui correspond à une excitation collective associant en phase toutes les transitions inter-sous-bandes. Cette excitation collective est observée en absorption et en électroluminescence. Lorsqu'on l'insère dans une microcavité, on atteint le régime de couplage ultra-fort avec une énergie de Rabi qui croît de façon monotone avec la densité d'électrons. Ce régime est démontré expérimentalement dans deux géométries de microcavité : planaire et zéro-dimensionnelle. Nos travaux montrent que l'interaction entre la lumière et la matière dans les puits quantiques dopés doit être pensée comme un processus purement collectif, régi par les phénomènes de cohérence induite par la charge