Propriétés optiques de micro-disques à base de nitrures d’éléments III Stéphane Mattei 16 mars 2007 Directeur du projet : ...
Plan de la présentation <ul><li>Intérêt et caractéristiques des nitrures d’éléments III </li></ul><ul><li>Intérêt et carac...
Intérêt et caractéristiques des nitrures d’éléments III <ul><li>Structure cristalline wurtzite (stable) </li></ul><ul><ul>...
Intérêt et caractéristiques des structures micro-disques <ul><li>Petit volume modal </li></ul><ul><li>Concept simple </li>...
Modes de galerie Nitrures d’éléments III  –  Micro-disques  –  Modes de galerie   –  Fabrication  –  Mesures optiques  –  ...
Modes de galerie «à chuchotement» <ul><li>Whispering gallery modes (WGM) </li></ul><ul><li>Modes acoustiques dans les gale...
Modes de galerie dans les micro-disques <ul><li>Modes de galerie présents dans les micro-cavités ayant une symétrie cylind...
Classification des modes de galerie diam. 4  µm   WGM 92,4 diam. 1.2  µm   WGM 26,1 <ul><li>Ordres radial et azimutal (nom...
Fabrication des micro-disques Nitrures d’éléments III  –  Micro-disques  –  Modes de galerie  –  Fabrication   –  Mesures ...
Croissance par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM) Nitrures d’éléments III  –  Micro-disques  –  Modes ...
Processus de gravure Nitrures d’éléments III  –  Micro-disques  –  Modes de galerie  –  Fabrication   –  Mesures optiques ...
Processus de gravure Nitrures d’éléments III  –  Micro-disques  –  Modes de galerie  –  Fabrication   –  Mesures optiques ...
Structure finale fabriquée <ul><li>Diamètre supérieur d’environ 4  µm </li></ul><ul><li>Côté incliné à 45° </li></ul><ul><...
Mesures optiques Nitrures d’éléments III  –  Micro-disques  –  Modes de galerie  –  Fabrication  –  Mesures optiques   –  ...
Mesures optiques en micro-photoluminescence Pompage optique par un laser argon ionisé doublé à 244 nm (5 eV) ou par laser ...
Emission spontanée dans les micro-disques Sans cavité optique Micro-disque 300 K, Puissance d’excitation ~ 200 W/cm 2 Q > ...
Emission stimulée dans les micro-disques Seuil d’émission laser Emission au-dessus du seuil 300 K Nitrures d’éléments III ...
Observation de l’émission par microscopie optique Disque de 4  µm sous pompage optique par le laser Nd-YAG à 266 nm Nitrur...
Motif d’émission <ul><li>Emission plus importante dans le bord du disque </li></ul><ul><li>Symétrie centrale </li></ul><ul...
Simulations numériques Nitrures d’éléments III  –  Micro-disques  –  Modes de galerie  –  Fabrication  –  Mesures optiques...
Méthode des éléments finis <ul><li>Discrétisation de l’espace (éléments finis) </li></ul><ul><li>Evolution temporelle pas ...
Méthodologie utilisée pour les simulations <ul><li>Investigation des modes optiques dans la cavité micro-disque </li></ul>...
Etude du confinement par le rayon Calcul de l’espacement modal: Il est important de faire la distinction R effectif   ≠ R ...
diminution lorsque la taille du disque augmente augmentation avec l’ordre azimutal  Dépendance du rapport    entre le ray...
Distribution de l’amplitude du champ électrique dans le disque Nitrures d’éléments III  –  Micro-disques  –  Modes de gale...
Distribution de l’amplitude du champ électrique dans le disque Disque de 1.2  µm de diamètre, mode  WGM 26,1   Nitrures d’...
Etude des différences entre la structure de disque et de cône <ul><li>Disque </li></ul>Cône tronqué inversé Considéré sans...
Comparaison du champ interne du disque et du cône Diamètre supérieur 4  µm Cône tronqué inversé Disque Coupe parallèle à l...
Comparaison du champ d’émission du disque et du cône Cône tronqué inversé Disque Logarithme du carré de l’amplitude Nitrur...
Évolution temporelle des modes Isolement des modes ayant un facteur de qualité élevé après la fuite des autres modes Nitru...
Comparaison des modes résonnants obtenus par simulation avec un spectre expérimental Modes obtenus par simulation Cône tro...
Dispersion d’indice La dispersion n’est pas négligeable car on travaille proche du gap de GaN Nitrures d’éléments III  –  ...
Introduction de la dispersion d’indice avec dispersion d’indice sans dispersion d’indice Cône tronqué inversé, diamètre su...
Perspectives et conclusion <ul><li>Introduction de la dispersion </li></ul><ul><li>Variation de la structure (par exemple ...
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Propriétés optiques de cavité micro-disques à base de nitrures d'éléments III

  1. 1. Propriétés optiques de micro-disques à base de nitrures d’éléments III Stéphane Mattei 16 mars 2007 Directeur du projet : Prof. Nicolas Grandjean Assistants: Dr. Raphaël Butté Dobri Simeonov
  2. 2. Plan de la présentation <ul><li>Intérêt et caractéristiques des nitrures d’éléments III </li></ul><ul><li>Intérêt et caractéristiques des structures micro-disques </li></ul><ul><li>Modes de galerie </li></ul><ul><li>Fabrication des micro-disques </li></ul><ul><li>Mesures optiques </li></ul><ul><li>Simulations numériques </li></ul>Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  3. 3. Intérêt et caractéristiques des nitrures d’éléments III <ul><li>Structure cristalline wurtzite (stable) </li></ul><ul><ul><li>Stabilité et solidité mécanique </li></ul></ul><ul><ul><li>Gravure chimique possible par la face azote </li></ul></ul><ul><ul><li>Polarisation spontanée </li></ul></ul><ul><ul><li>Polarisation piézo-électrique </li></ul></ul><ul><li>(Ga, Al, In)N </li></ul><ul><li>Forte utilisation en optoélectronique </li></ul><ul><li>SC directs dont les composés couvrent une large gamme de bandes interdites </li></ul><ul><li>Puits quantiques InGaN/GaN </li></ul><ul><ul><li>Effet Stark </li></ul></ul><ul><ul><li>Décalage de Stokes </li></ul></ul>Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  4. 4. Intérêt et caractéristiques des structures micro-disques <ul><li>Petit volume modal </li></ul><ul><li>Concept simple </li></ul><ul><li>Confinement optique élevé grâce à la séparation entre le disque et le substrat par le pilier </li></ul><ul><li>Fabricable par des méthodes de gravure </li></ul>Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion Modes de galerie ayant un facteur de qualité (Q =  /  élevé Gayral et al. , APL 75(13) 1999 GaAs, diam. 3 µm Tamboli et al. ,Nature Phot., 1, 2007 GaN sur InGaN, diam. 1.2 µm puits quantiques InGaN Q jusqu’à 3’700 puits quantiques InGaAs Q jusqu’à 2’000 boîtes quantiques InAs Q jusqu’à 12’000
  5. 5. Modes de galerie Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  6. 6. Modes de galerie «à chuchotement» <ul><li>Whispering gallery modes (WGM) </li></ul><ul><li>Modes acoustiques dans les galeries de structures architecturales </li></ul><ul><li>Produits par le confinement latéral </li></ul><ul><li>Propagation dans le bord de la structure par réflexion sur la paroi </li></ul>Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  7. 7. Modes de galerie dans les micro-disques <ul><li>Modes de galerie présents dans les micro-cavités ayant une symétrie cylindrique ( r , θ , z ) </li></ul><ul><li>Propagation le long du bord du disque </li></ul><ul><li>Confinement 3D </li></ul><ul><ul><li>Confinement transverse par le rayon ( r ) -> définit un rayon effectif </li></ul></ul><ul><ul><li>Confinement longitudinal par la circonférence du disque ( θ ) -> définit la fréquence résonnante </li></ul></ul><ul><ul><li>Confinement en guide d’onde par la hauteur du disque ( z ) -> définit l’indice effectif </li></ul></ul>Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  8. 8. Classification des modes de galerie diam. 4 µm WGM 92,4 diam. 1.2 µm WGM 26,1 <ul><li>Ordres radial et azimutal (nombre de nœuds), WGM # θ #r </li></ul><ul><li>Monomode selon z </li></ul>Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion Composante du champ électrique perpendiculaire ( E z ) au plan du disque diam. 1.2 µm WGM 34,0
  9. 9. Fabrication des micro-disques Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  10. 10. Croissance par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM) Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  11. 11. Processus de gravure Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  12. 12. Processus de gravure Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  13. 13. Structure finale fabriquée <ul><li>Diamètre supérieur d’environ 4 µm </li></ul><ul><li>Côté incliné à 45° </li></ul><ul><li>Surfaces lisses </li></ul>Images par microscopie électronique à balayage Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion 1  m 1  m 0.2  m
  14. 14. Mesures optiques Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  15. 15. Mesures optiques en micro-photoluminescence Pompage optique par un laser argon ionisé doublé à 244 nm (5 eV) ou par laser Nd-YAG à 266 nm (4.7 eV) Mesure par un spectromètre (monochromateur + CCD) Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  16. 16. Emission spontanée dans les micro-disques Sans cavité optique Micro-disque 300 K, Puissance d’excitation ~ 200 W/cm 2 Q > 4000 Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  17. 17. Emission stimulée dans les micro-disques Seuil d’émission laser Emission au-dessus du seuil 300 K Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  18. 18. Observation de l’émission par microscopie optique Disque de 4 µm sous pompage optique par le laser Nd-YAG à 266 nm Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion 0.1 MW/cm 2 juste en dessous du seuil 0.7 MW/cm 2 2 MW/cm 2 0 MW/cm 2 Seuil à ~0.4 MW/cm 2 augmentation de la puissance d’excitation
  19. 19. Motif d’émission <ul><li>Emission plus importante dans le bord du disque </li></ul><ul><li>Symétrie centrale </li></ul><ul><li>Caractéristique des modes de galerie </li></ul>Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion 4  m
  20. 20. Simulations numériques Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  21. 21. Méthode des éléments finis <ul><li>Discrétisation de l’espace (éléments finis) </li></ul><ul><li>Evolution temporelle pas à pas avec résolution des équation de Maxwell à chaque étape </li></ul><ul><li>Liaison entre les éléments par des conditions aux limites </li></ul><ul><li>Quasi-continuité </li></ul>Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  22. 22. Méthodologie utilisée pour les simulations <ul><li>Investigation des modes optiques dans la cavité micro-disque </li></ul><ul><li>Positionnement dans la cavité d’une source qui fournit un pulse gaussien </li></ul><ul><li>Observation des modes optiques formés après le pulse </li></ul><ul><li>Détection des fréquences résonnantes par analyse harmonique </li></ul>Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  23. 23. Etude du confinement par le rayon Calcul de l’espacement modal: Il est important de faire la distinction R effectif ≠ R disque ! Condition de résonance des modes de galerie longitudinaux: Définition du paramètre  caractérisant le confinement du mode: Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  24. 24. diminution lorsque la taille du disque augmente augmentation avec l’ordre azimutal Dépendance du rapport  entre le rayon effectif et le rayon du disque Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  25. 25. Distribution de l’amplitude du champ électrique dans le disque Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion Disque de 1.2 µm de diamètre, mode WGM 34,0
  26. 26. Distribution de l’amplitude du champ électrique dans le disque Disque de 1.2 µm de diamètre, mode WGM 26,1 Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  27. 27. Etude des différences entre la structure de disque et de cône <ul><li>Disque </li></ul>Cône tronqué inversé Considéré sans pilier GaN Pas de substrat dans les deux cas Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  28. 28. Comparaison du champ interne du disque et du cône Diamètre supérieur 4 µm Cône tronqué inversé Disque Coupe parallèle à la surface au milieu de la couche de GaN Coupe perpendiculaire à la surface passant par le centre WGM 22,0 WGM 24,0 Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  29. 29. Comparaison du champ d’émission du disque et du cône Cône tronqué inversé Disque Logarithme du carré de l’amplitude Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  30. 30. Évolution temporelle des modes Isolement des modes ayant un facteur de qualité élevé après la fuite des autres modes Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  31. 31. Comparaison des modes résonnants obtenus par simulation avec un spectre expérimental Modes obtenus par simulation Cône tronqué inversé, diamètre supérieur 1.7 µm Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  32. 32. Dispersion d’indice La dispersion n’est pas négligeable car on travaille proche du gap de GaN Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  33. 33. Introduction de la dispersion d’indice avec dispersion d’indice sans dispersion d’indice Cône tronqué inversé, diamètre supérieur 2.1 µm Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion
  34. 34. Perspectives et conclusion <ul><li>Introduction de la dispersion </li></ul><ul><li>Variation de la structure (par exemple introduction de défauts) </li></ul><ul><li>Mesures optiques sur des tailles différentes et connues plus précisément </li></ul><ul><li>Fabrication de micro-disques ayant des bonnes propriétés d’émission spontanée et stimulée </li></ul><ul><li>Observation des modes de galerie dans ces structures </li></ul><ul><li>Etude des modes optiques par la méthode des éléments finis </li></ul>Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion

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