- 1. Proprits optiques de micro-disques base de nitrures dlments
III Stphane Mattei 16 mars 2007 Directeur du projet : Prof. Nicolas
Grandjean Assistants: Dr. Raphal Butt Dobri Simeonov
2. Plan de la prsentation
- Intrt et caractristiques des nitrures dlments III
- Intrt et caractristiques des structures micro-disques
- Fabrication des micro-disques
Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiquesSimulations-Conclusion 3. Intrt
et caractristiques des nitrures dlments III
- Structure cristalline wurtzite (stable)
-
- Stabilit et solidit mcanique
-
- Gravure chimique possible par la face azote
-
- Polarisation pizo-lectrique
- Forte utilisation en optolectronique
- SC directs dont les composs couvrent une large gamme de bandes
interdites
- Puits quantiques InGaN/GaN
Nitrures dlments III Micro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiquesSimulations-Conclusion 4. Intrt
et caractristiques des structures micro-disques
- Confinement optique lev grce la sparation entre le disque et le
substrat par le pilier
- Fabricable par des mthodes de gravure
Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiquesSimulations-Conclusion Modes de
galerie ayant un facteur de qualit (Q = / lev Gayralet al. , APL
75(13) 1999 GaAs, diam. 3m Tamboliet al. ,Nature Phot., 1, 2007 GaN
sur InGaN, diam. 1.2m puits quantiques InGaN Q jusqu 3700 puits
quantiques InGaAs Q jusqu 2000 botes quantiques InAs Q jusqu 12000
5. Modes de galerie Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerie FabricationMesures optiquesSimulations-Conclusion 6. Modes
de galerie chuchotement
- Whispering gallery modes (WGM)
- Modes acoustiques dans les galeries de structures
architecturales
- Produits par le confinement latral
- Propagation dans le bord de la structure par rflexion sur la
paroi
Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de galerie
FabricationMesures optiquesSimulations-Conclusion 7. Modes de
galerie dans les micro-disques
- Modes de galerie prsents dans les micro-cavits ayant une
symtrie cylindrique ( r , ,z )
- Propagation le long du bord du disque
-
- Confinement transverse par le rayon ( r ) -> dfinit un rayon
effectif
-
- Confinement longitudinal par la circonfrence du disque ( )
->dfinit la frquence rsonnante
-
- Confinement en guide donde par la hauteur du disque ( z ) ->
dfinit lindice effectif
Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de galerie
FabricationMesures optiquesSimulations-Conclusion 8. Classification
des modes de galerie diam. 4m WGM 92,4 diam. 1.2m WGM 26,1
- Ordres radial et azimutal (nombre de nuds), WGM # #r
Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de galerie
FabricationMesures optiquesSimulations-Conclusion Composante du
champ lectrique perpendiculaire ( E z ) au plan du disque diam.
1.2m WGM 34,0 9. Fabrication des micro-disques Nitrures dlments
IIIMicro-disquesModes de galerieFabrication Mesures
optiquesSimulations-Conclusion 10. Croissance par pitaxie en phase
vapeur aux organomtalliques (EPVOM) Nitrures dlments
IIIMicro-disquesModes de galerieFabrication Mesures
optiquesSimulations-Conclusion 11. Processus de gravure Nitrures
dlments IIIMicro-disquesModes de galerieFabrication Mesures
optiquesSimulations-Conclusion 12. Processus de gravure Nitrures
dlments IIIMicro-disquesModes de galerieFabrication Mesures
optiquesSimulations-Conclusion 13. Structure finale fabrique
- Diamtre suprieur denviron 4m
Images par microscopie lectronique balayage Nitrures dlments
IIIMicro-disquesModes de galerieFabrication Mesures
optiquesSimulations-Conclusion 1 m 1 m 0.2 m 14. Mesures optiques
Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de galerieFabricationMesures
optiques Simulations-Conclusion 15. Mesures optiques en
micro-photoluminescence Pompage optique par un laser argon ionis
doubl 244 nm (5 eV) ou par laser Nd-YAG 266 nm (4.7 eV) Mesure par
un spectromtre (monochromateur + CCD) Nitrures dlments
IIIMicro-disquesModes de galerieFabricationMesures optiques
Simulations-Conclusion 16. Emission spontane dans les micro-disques
Sans cavit optique Micro-disque 300 K, Puissance dexcitation ~ 200
W/cm 2 Q > 4000 Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiques Simulations-Conclusion 17.
Emission stimule dans les micro-disques Seuil dmission laser
Emission au-dessus du seuil 300 K Nitrures dlments
IIIMicro-disquesModes de galerieFabricationMesures optiques
Simulations-Conclusion 18. Observation de lmission par microscopie
optique Disque de 4m sous pompage optique par le laser Nd-YAG 266
nm Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures 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
~0.4 MW/cm 2 augmentation de la puissance dexcitation 19. Motif
dmission
- Emission plus importante dans le bord du disque
- Caractristique des modes de galerie
Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiques Simulations-Conclusion 4 m 20.
Simulations numriques Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiquesSimulations -Conclusion 21.
Mthode des lments finis
- Discrtisation de lespace (lments finis)
- Evolution temporelle pas pas avec rsolution des quation de
Maxwell chaque tape
- Liaison entre les lments par des conditions aux limites
Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiquesSimulations -Conclusion 22.
Mthodologie utilise pour les simulations
- Investigation des modes optiques dans la cavit
micro-disque
- Positionnement dans la cavit dune source qui fournit un pulse
gaussien
- Observation des modes optiques forms aprs le pulse
- Dtection des frquences rsonnantes par analyse harmonique
Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiquesSimulations -Conclusion 23. Etude
du confinement par le rayon Calcul de lespacement modal: Il est
important de faire la distinction R effectif R disque! Condition de
rsonance des modes de galerie longitudinaux: Dfinition du
paramtrecaractrisant le confinement du mode: Nitrures dlments
IIIMicro-disquesModes de galerieFabricationMesures
optiquesSimulations -Conclusion 24. diminution lorsque la taille du
disque augmente augmentation avec lordre azimutalDpendance du
rapportentre le rayon effectif et le rayon du disque Nitrures
dlments IIIMicro-disquesModes de galerieFabricationMesures
optiquesSimulations -Conclusion 25. Distribution de lamplitude du
champ lectrique dans le disque Nitrures dlments
IIIMicro-disquesModes de galerieFabricationMesures
optiquesSimulations -Conclusion Disque de 1.2m de diamtre, modeWGM
34,0 26. Distribution de lamplitude du champ lectrique dans le
disque Disque de 1.2m de diamtre, modeWGM 26,1 Nitrures dlments
IIIMicro-disquesModes de galerieFabricationMesures
optiquesSimulations -Conclusion 27. Etude des diffrences entre la
structure de disque et de cne
Cne tronqu invers Considr sans pilier GaN Pas de substrat dans
les deux cas Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiquesSimulations -Conclusion 28.
Comparaison du champ interne du disque et du cne Diamtre suprieur
4m Cne tronqu invers Disque Coupe parallle la surface au milieu de
la couche de GaN Coupe perpendiculaire la surface passant par le
centre WGM 22,0 WGM 24,0 Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiquesSimulations -Conclusion 29.
Comparaison du champ dmission du disque et du cne Cne tronqu invers
Disque Logarithme du carr de lamplitude Nitrures dlments
IIIMicro-disquesModes de galerieFabricationMesures
optiquesSimulations -Conclusion 30. volution temporelle des modes
Isolement des modes ayant un facteur de qualit lev aprs la fuite
des autres modes Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiquesSimulations -Conclusion 31.
Comparaison des modes rsonnants obtenus par simulation avec un
spectre exprimental Modes obtenus par simulation Cne tronqu invers,
diamtre suprieur 1.7m Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiquesSimulations -Conclusion 32.
Dispersion dindice La dispersion nest pas ngligeable car on
travaille proche du gap de GaN Nitrures dlments
IIIMicro-disquesModes de galerieFabricationMesures
optiquesSimulations -Conclusion 33. Introduction de la dispersion
dindice avec dispersion dindice sans dispersion dindice Cne tronqu
invers, diamtre suprieur 2.1m Nitrures dlments
IIIMicro-disquesModes de galerieFabricationMesures
optiquesSimulations -Conclusion 34. Perspectives et conclusion
- Introduction de la dispersion
- Variation de la structure (par exemple introduction de
dfauts)
- Mesures optiques sur des tailles diffrentes et connues plus
prcisment
- Fabrication de micro-disques ayant des bonnes proprits dmission
spontane et stimule
- Observation des modes de galerie dans ces structures
- Etude des modes optiques par la mthode des lments finis
Nitrures dlments IIIMicro-disquesModes de
galerieFabricationMesures optiquesSimulations-Conclusion
