Three-dimensional solitons are highly sought after objects in nonlinear science. In nonlinear photonics they correspond to light bullets, but their experimental observation as long-term stable structures remains elusive in spite of impressive advances [1]. Broad-area vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) combine a large Fresnel number with a high nonlinearity and fast time scales. Stationary spatial solitons in 2D as well as mode-locking and temporal solitons without self-localization in space are known to exist. It is intriguing to explore a combination of these two aspects to achieve self-localization of light in three dimensions [2]. Here we report on the observation of mode-locked states of spatial solitons.The experimental system consists of a VCSEL with a 200 micrometer emission aperture emitting around 980 nm. It is coupled to a self-imaging external cavity closed by a volume Bragg grating (VBG) as a frequency-selective element. The round-trip time in the external cavity is about 0.7 ns. By varying the VCSEL current, the detuning between the VCSEL and the VBG resonances is changed and single-mode operation in the external cavity and multi-mode operation can be realized. The latter may correspond to irregular dynamics or fairly regular self-pulsing which represents mode-locked states (Fig. 1). These data are in a range where the self-pulsing spatial soliton is bistable, i.e. it coexists with the non-lasing state as expected for a self-localized state. We obtain self-pulsing at the fundamental and the harmonic round-trip frequency, as well as occasionally at even higher harmonics. The peaks in the RF-spectrum are extremely narrow (<; 100 kHz, close to the resolution limit) indicating a high phase-correlation between the participating modes. The optical spectrum displays three dominant modes. The pulse width (FWHM) is about 110 ps for the harmonic mode-locking and 270 ps for the fundamental mode-locking, roughly consistent with the expectation from spectral bandwidth. The results clearly establish mode-locking of spatial solitons on 3 modes creating temporal structures shorter than the external cavity. Numerical simulations of the model introduced in [4] are in good agreement with the experimental data [3].

Beams with a spatially non-uniform distribution of polarization attracted considerable recent interest due to their intrinsic beauty, novel functionalities in quantum optics and newly enabled applications [1]. Typical realizations investigated possess a circular symmetric intensity structure, most often in form of a doughnut, combined with a spatially non-uniform polarization field containing polarization singularities and are referred to as `vector vortex beams'. Typically, considerable engineering effort is necessary to create these non-trivial polarization configurations. In contrast, we report on the spontaneous formation of vector vortex beams in a broad-area vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) with frequency-selective feedback [2]. In particular, an anti-vortex state with a hyperbolic polarization structure is observed. The relation to vectorial high-order solitons is discussed.

Ce travail de doctorat est dédié à l’étude des mécanismes régissant l’interaction lumière-matière dans des dispositifs optoélectroniques à base d’alliages (Al,Ga,In,)N. Diverses compositions de ces alliages sont assemblées en structures multicouches de matériaux d’épaisseurs nanométriques afin d’obtenir une émission à plus grande longueur d’onde que le bleu, couleur pour laquelle la technologie est mature depuis plus de vingt ans. Il s’agit de réaliser des émetteurs efficaces de lumière jaune, verte ou blanche (avec une approche alternative au pompage optique de luminophore par une diode bleue). Les solutions solides assemblées pour obtenir des émissions à grandes longueur d’onde sont à base de GaN et de Ga0.8In0.2N, matériaux pour lesquels les mailles cristallographiques sont désaccordées. Lorsqu’elles sont déposées sur un substrat ou un pseudo-substrat de GaN, matériau pour lequel les dopages n et p sont maitrisés et permettent l’injection électrique des porteurs, les tranches de Ga0.8In0.2N subissent de très fortes compressions dans leur plan de croissance et l’énergie élastique est relaxée par la formation de défauts délétères pour le rendement lumineux. Nous avons construit des hétéro-structures plus complexes en intercalant une couche complémentaire d’Al0.2Ga0.8N afin de réduire la densité d’énergie élastique globale. L’insertion de telles couches améliore la qualité cristalline et augmente leur rendement optique. Nous avons mesuré le rendement quantique interne en utilisant la spectroscopie de photoluminescence résolue en temps et une analyse des temps de déclins par une approche de type Lotka-Volterra des équations de recombinaison pour obtenir les taux de recombinaisons radiatifs et non-radiatifs. Nous avons montré quantitativement comment les champs électriques internes résultant du contraste de polarisation électrique aux interfaces et les recombinaisons non-radiatives de type Schockley-Read-Hall contribuent à définir le rendement quantique à faible densité d’excitations (optique ou électrique). L’objectif est l’obtention d’une émission spontanée intense pour une densité d’excitation modérée. Nous avons donc conduit une campagne d’expériences en variant l’intensité d’injection. Nous avons montré que l’effet Auger est le facteur dominant régissant la chute du rendement quantique interne sous fortes densités d’injection. Nous avons étudié diverses architectures à simple puits quantique ou à puits quantiques multiples émettant à des longueurs d’onde identiques pour quantifier l’influence spécifique de l’effet Stark confiné quantique. Nous avons corrélé l’apparition d’un seuil d’excitation au-delà duquel domine la recombinaison non-radiative de type Auger avec l’augmentation du temps de recombinaison radiative et de l’énergie de localisation des porteurs dans l’alliage inhomogène. Nous arrivons à la conclusion que la localisation des porteurs produite par le champ électrique aux interfaces et les fluctuations de la composition chimique de Ga0.8In0.2N contribuent de concert, facilitant l’interaction répulsive électron-électron et la recombinaison non-radiative Auger nnp. Nous avons montré que le modèle ABC permet de bien décrire la physique du phénomène si ses trois paramètres tiennent compte des effets d’écrantages sous injections modérées et des effets de remplissage de l’espace des phases sous fortes injections. Enfin, nous nous sommes écartés de l’étude des structures traditionnellement épitaxiées selon le plan polaire (0001) pour choisir des plans d’épitaxie semi-polaire (11-22). Dans ces conditions, il a été nécessaire de fabriquer des puits quantiques en Ga0.65In0.35N. Nous avons montré que la quasi-absence d’effet Stark confiné quantique augmente de manière très significative le seuil d’excitation au-delà duquel domine la recombinaison non-radiative de type Auger. Cette amélioration par rapport aux échantillons épitaxiés selon le plan (0001) est d’autant plus marquée que la longueur d’onde émise est grande.

Cette thèse traite de la manipulation de l'énergie dans trois systèmes quantiques ouverts différents dans la limite de couplage faible système-environnement, et leurs dynamiques respectives sont décrites par une équation maîtresse quantique markovienne. Dans le premier chapitre, le calcul d'une telle équation est réalisé pour un système particulier, et diverses notions de thermodynamique quantique sont introduites. Pour le premier système physique, on analyse le transport d'énergie le long de chaînes atomiques (entre 2 et 7 atomes) soumises à un rayonnement de corps noir proche de la température ambiante. Il est montré que l'efficacité du transport peut atteindre des valeurs remarquables, surpassant 100% et atteignant jusqu'à 1400% dans certaines configurations. De plus, lorsque l'efficacité est amplifiée, la portée du transport est également considérablement augmentée. Le chapitre suivante traite aussi du transport d'énergie dans des chaînes atomiques. Le système quantique est placé à l'interface d'un isolant topologique photonique (ITP), qui supporte un plasmon polariton de surface (PPS) insensible à la réflexion. Le PPS se propage le long de la chaîne atomique et assiste le transport d'énergie. La comparaison est faite entre PPSs réciproque et unidirectionnel en termes d'efficacité du transport, et il est démontré que ce dernier produit une meilleure efficacité, de plus d'un ordre de grandeur. De surcroît, divers aspects pratiques dus aux propriétés des ITPs sont mis en avant, notamment la robustesse du transport d'énergie en présence de défauts sur le parcours du PPS. Enfin, un système quantique immergé dans un champ électromagnétique hors équilibre thermique est étudié. Il est composé d'un système à trois niveaux d'énergie, jouant le rôle de machine thermique quantique à absorption, ainsi que de N atomes à deux niveaux ("qubits") qui sont affectés par l'action de la machine. Il est montré que la machine est capable de délivrer des tâches thermiques d'intensité significative sur les qubits, y compris lorsque leur nombre augmente. De plus, il est mis en évidence qu'en raison d'interactions qubit-qubit, les tâches réalisées par la machine sont distribuées parmi l'ensemble du système des qubits en interaction, de sorte que dans certains cas, même les qubits complètement découplés de la machine subissent une modification de température considérable. Ce mécanisme de distribution des tâches est analysé à travers les corrélations entre différentes partitions du système quantique. Par ailleurs, le contrôle des tâches thermiques est également discuté.

Quantum Dot based UV Light Emitting Diodes

High temperature electrical transport study of n-type Si-doped AlN

This special issue contains 9 original review papers, research papers and discussion papers on indirect excitons. An exciton is a Coulomb-correlated electron-hole pair. Frenkel excitons dominate optical properties of organic semiconductors, while Wannier-Mott excitons are responsible for the hydrogen-like absorption spectra of inorganic semiconductors at low temperatures. The interest to the physics of excitons has strongly increased in the new century. This interest is motivated by unique bosonic properties of excitons that lead to the phenomena of exciton-polariton lasing and stimulated scattering, build-up of the spontaneous coherence and polarisation in cold exciton gases. In addition to the rich fundamental physics, excitons offer the perspective of applications in opto-electronic devices such as exciton transistors, switches, optical integrated circuits, etc.The indirect excitons form an important research sub-field of the exciton physics. The reduction of electron-hole overlap in the real space leads to longer exciton radiative lifetimes, which is crucial for the studies of thermolyzed exciton gases. Large spatial dipole moments of indirect excitons are responsible for the strong exciton-exciton repulsion. This prevents formation of bi-excitons and excitonic molecules and facilitates formation of coherent collective excitonic states.The papers contained in this volume are devoted to different aspects of the modern physics of indirect excitons. In the review paper by Leonid Butov the intriguing perspective for implementation of excitonic device concepts is discussed. This review is nicely complemented by the work by Anton Nalitov et al. who propose using indirect excitons for realisation of bosonic cascade lasers emitting the coherent terahertz light. The review of Joe Wilkes and Egor Muljarov discusses the effect of electric and magnetic fields on indirect exciton and microcavity exciton-polaritons. Ursula Wurstbauer et al. present the experimental study of laterally trapped dipolar exciton ensembles at high magnetic fields in the Faraday configuration. Colin Hubert et al. study experimentally the dynamics of indirect excitons in GaAs/AlGaAs double quantum wells grown along the (111) direction. Tao Liu et al. study theoretically the spin dynamics of spatially trapped Bose-Einstein condensates of indirect excitons. Carsten Leding Vendelbjerg and Massimo Rontani present the theoretical research of the spin transfer torque induced onto a nano-magnet in hybrid magnetic nanostructures. Andrea Bertoni et al. address the time-dependent quantum scattering of a spatially indirect exciton by an external potential. Finally, Yotam Mazuz-Harpaz et al. analyse and discuss the recent experimental results on cold dipolar exciton gases in electrostatic traps.The nine groups that contributed to this special issue are the world-leaders in the rapidly growing research field of the physics of indirect excitons. The papers that composed this volume represent the state-of-the-art in this research domain. We hope that this volume may be used by young researchers and PhD students as well as the leading scientists as a reference book for further studies of indirect excitons.