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Résumé :
Les matériaux Epsilon-near-zero (ENZ) appartiennent aux branches plasmonique et métamatériaux de la nanophotonique et ont été activement étudiés au cours de la dernière décennie. La fonction diélectrique proche de zéro induit une exaltation intrinsèque et un confinement des ondes électromagnétiques dans une fine couche ENZ de très sub-longueur d’onde, augmentant ainsi l’interaction lumière-matière. Dans ce travail, nous avons appliqué le concept ENZ à de nouvelles structures de dispositifs optoélectroniques dans le moyen infrarouge, traditionnellement limités par une faible interaction lumière-matière. Plus précisément, nous avons réalisé un modulateur électro-optique (EOM) ENZ et un détecteur à cascade quantique à période unique (QCD) ENZ, fonctionnant autour de 10 µm. Le mécanisme de l’ENZ-EOM est basé sur la commutation entre les régimes de couplage fort et de couplage faible d’un mode ENZ et d’un mode de cavité, où le mode ENZ peut être déplacé par déplétion d’électron en appliquant une tension. Ce mécanisme offre théoriquement une modulation d’amplitude importante, mais a été jusqu’à présent peu étudié. Quant au QCD, il appartient à la famille des dispositifs intersousbandes, souffre généralement d’une faible absorption dans les structures classiques, du fait de la règle de sélection. L’ENZ-QCD bénéficie de l’exaltation de la composante normale du champ électrique – la composante utile pour l’absorption intersousbande.
Les fonctions diélectriques des matériaux utilisés ont une place centrale dans la conception optique de ces dispositifs, nous avons donc commencé par les étudier expérimentalement et théoriquement. Le régime ENZ est atteint dans les dispositifs EOM et QCD, en utilisant une couche InGaAs de type Drude fortement dopée et une transition intersousbande forte dans un puits quantique InGaAs/InAlAs, respectivement. J’ai réalisé la conception optique des dispositifs, suivie de la microfabrication et des caractérisations électriques et optiques.
Pour le dispositif ENZ-EOM, à tension nulle, nous avons observé expérimentalement le régime de couplage fort entre le mode ENZ et le mode de cavité, en accord avec la simulation optique. La caractérisation électro-optique montre une profondeur de modulation d’environ 0.50 – 1.25 dB d’un mode phononique à facteur de qualité élevé. Cette modulation est comparable à l’état de l’art des dispositifs similaires, bien qu’elle soit très inférieure à la valeur de simulation, principalement limitée par une faible déplétion de la densité d’électron (7 %). Cette modulation concerne un nouveau mécanisme de régime de couplage à trois modes : un mode cavité, un mode Drude ENZ et un mode ENZ phononique. Le mode ENZ phononique est décalé par la modulation de densité d’électron dans une couche ENZ Drude spatialement disjointe. Pour les travaux futurs, nous prévoyons de passer à un matériau barrière avec un plus grand gap et d’explorer pleinement le potentiel du régime de couplage à trois modes.
Concernant le dispositif ENZ-QCD, nous avons étudié le rôle du depolarization shift dans la fonction diélectrique de la transition intersousbande et sa relation avec le concept ENZ, nous permettant de bien prendre en compte cette contribution. La simulation électromagnétique indique une grande absorption utile dans le puits quantique actif, jusqu’à 50-60 % du flux incident, tandis que des structures QCD conventionnelles sont souvent limitées avec une absorption utile de moins de quelques pourcents par période active. Expérimentalement, des mesures de la réflectivité des dispositifs QCD-ENZ à température cryogénique montre la transition intersousbande du puits quantique unique, en régime de couplage fort avec le mode de cavité. A partir des mesures du photocourant et de la réponse spectrale, nous estimons une efficacité quantique externe d’environ 0,057 % pour la première génération d’ENZ-QCD, environ un ordre de grandeur inférieur à l’état de l’art. Considérant qu’il s’agit de la première génération de l’ENZ-QCD où nous avons rencontré des difficultés dans le process de fabrication et la modélisation théorique, les résultats obtenus sont encourageants et nous pensons que d’autres améliorations dans les prochaines générations sont réalistes. La physique dans le système ENZ-QCD est riche et constitue donc un sujet intéressant pour de futures études.
Mots-clés : Epsilon-near-zero, modulateur, détecteur à cascade quantique, cavité MIM, nanophotonique, infrarouge moyen.
Epsilon-near-zero metamaterials applied to mid-infrared optoelectronic devices
Abstract:
The near-zero dielectric function offers intrinsic enhancement and confinement of electromagnetic waves in highly sub-wavelength ENZ layer, thus increases light-matter interaction. In this work, we applied the ENZ concept to new structures of mid-infrared optoelectronic devices, traditionally limited by weak light-matter interaction. More precisely, we realized an ENZ electro-optical modulator (EOM) and an ENZ single-period quantum cascade detector (QCD), operating around 10 µm. The ENZ-EOM’s mechanism is based on switching between strong coupling and weak coupling regimes of an ENZ mode and a cavity mode, where the ENZ mode can be tuned by electron depletion with a voltage bias. This mechanism theoretically offers a significant amplitude modulation, but has so far been little studied. As for QCD, it belongs to the family intersubband devices, generally suffers from low absorption in conventional structures, due to the selection rule. The ENZ-QCD benefits from the enhancement of electric field’s normal component – the useful component for intersubband absorption.
The dielectric functions of the materials used have a central place in the optical design of these devices, so we started by carefully studying them experimentally and theoretically. The ENZ regime is reached in EOM and QCD devices, using respectively a heavily doped Drude-like InGaAs layer and a sharp intersubband transition in InGaAs/InAlAs quantum well. I carried out the optical design of the devices, followed by the microfabrication and electrical, optical characterizations.
For the ENZ-EOM device, at zero voltage bias, we experimentally observed the strong coupling regime between the ENZ mode and the cavity mode, in agreement with the optical computation. Electro-optical characterization shows a modulation depth of about 0.50-1.25 dB of a large quality factor phononic mode. This modulation is comparable to the state of the art of similar devices, though it is much smaller than the simulation’s value, mainly limited by a small electron density depletion (7 %). This modulation demonstrated a new mechanism of three-mode coupling regime: a cavity mode, a Drude ENZ mode and a phononic ENZ mode. The phononic ENZ mode is shifted thanks to the electron density modulation in a Drude ENZ layer spatially disjoint. For future works, we plan to change for barrier material with larger band gap and to fully explore the potential of the three-mode coupling regime.
As for the ENZ-QCD, we studied the role of the depolarization shift in the dielectric function of the intersubband transition and its direct relation to the ENZ concept, allowing us to taking into account this contribution correctly. The electromagnetic computation indicates a large useful absorption in the active quantum well, up to 50-60 % of the incident flux, whereas conventional QCD structure is often limited with a useful absorption of less than several percent per active period. Experimentally, optical reflectance characterization of QCD-ENZ devices at cryogenic temperature shows the intersubband transition of a single quantum well, in strong coupling regime with the cavity mode. From photocurrent and spectral response measurements, we estimate an external quantum efficiency of about 0.057 % for the first generation of ENZ-QCD, about an order of magnitude below the state of the art. Considering this is the first generation of the ENZ-QCD where we encountered difficulties in the fabrication process and the theoretical modelling, the results obtained are encouraging and we believe that further improvements in next generations are realistic. The physics in the ENZ-QCD system is rich and therefore constitutes an interesting subject for future studies.
Keywords: Epsilon-near-zero, modulator, quantum cascade detector, MIM cavity, nanophotonics, mid-infrared.
SPEC/LEPO