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Commentaires: Ecole Internationale. Cours présenté par Masha Vladimirova.

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Résumé:

Dans le domaine de la nano-photonique, les matériaux semiconducteurs nitrures (GaN, AlN) présentent un intérêt grandissant en raison de leurs spécificités, et de leur complémentarité avec les filières déjà établies. Ces matériaux présentent en effet une plage de transparence large, du moyen infra-rouge à l’ultra-violet ; ils présentent aussi des susceptibilités non-linéaires d’ordre 2 et 3 intéressantes ; des émetteurs efficaces jusqu’à température ambiante peuvent être intégrés dans les couches actives. Enfin, la filière nitrure de l’industrie des semiconducteurs se développe actuellement très rapidement.Nous avons développé au cours des dernières années plusieurs facettes exploitant ces avantages de la nano-photonique GaN. La maîtrise des procédés spécifique à GaN/AlN a permis de réaliser des micro-résonateurs de haut facteur de qualité, atteignant dans l’ultra-violet Q=7000 dans des microdisques [1] et Q=4400 dans des cavités à cristaux photoniques membranaires [2], et Q=34000 dans l’infra-rouge [3]. Ces résonateurs sont désormais intégrés dans des circuits photoniques complexes [3]. Ces structures sont de plus réalisées à partir de couches GaN/AlN sur substrat de silicium, de faible coût, ce qui ouvre des perspectives riches de couplage avec la photonique silicium. Nous présentons ici deux démonstrations récentes et originales. D’une part, nous avons exploité le confinement de la lumière dans une cavité photonique membranaire pour exalter la génération de seconde harmonique (SHG). La structure est constituée d’un guide d’accès membranaire GaN/AlN de 345nm d’épaisseur, se terminant de manière effilée pour optimiser le couplage de la lumière via une fibre lentillée. Un cristal photonique est inséré au centre du guide d’onde, avec un mode de cavité à 1577nm (Q=25000). Lorsque le laser continu d’injection est résonant avec ce mode, une émission de seconde harmonique est observée depuis la surface par un objectif de microscope couplé à un capteur CCD (figure 1). Il est intéressant d’observer que cette image possède une résolution comparable à la distance entre trous du cristal photonique. En particulier, la forme en X de l’image de second harmonique a permis d’identifier le processus non-linéaire d’ordre 2 le plus efficace pour générer la SHG, par comparaison avec des simulations FDTD. La perspective de ce travail est d’étendre vers le bleu/l’UV la plage spectrale de SHG, et de mieux profiter de la géométrie membranaire pour récolter la SHG.D’autre part, nous avons réalisé un laser à microdisques fonctionnant sous pompage optique impulsionnel dans une plage spectrale jusqu’ici inexplorée pour des micro-résonateurs : il émet à 275nm, dans l’UV-C, grâce à une couche active à base de puits quantiques GaN/AlN de 2.8 monocouches d’épaisseur nominale sur substrat silicium (figure 2). Seules des couches actives beaucoup plus complexes avaient à ce jour permis d’atteindre une émission laser à ces longueurs d’ondes dans des lasers-rubans ; celles-ci étaient de plus incompatibles avec une intégration en circuit photonique ou en microlaser. Le choix de puits quantiques sans alliages ternaires permet ici d’atteindre une bonne efficacité quantique à 300K, malgré une forte densité de dislocations (7 1010 cm-2). Le facteur beta de ce microlaser a été estimé à 3,5.10-4, toujours à 300K, ce qui est dans la plage basse des valeurs atteintes pour des microlasers émettant dans l’infra-rouge.

Ref HAL: hal-01308245_v1
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Résumé:

ZnO est un matériau semiconducteur présentant des excitons forts, en terme de force d’oscillateur et d’énergie de liaison. Il est donc particulièrement intéressant pour la génération et le contrôle de condensats de polaritons, jusqu’à température ambiante.La réalisation de microcavités ZnO planaires de grand facteur de qualité a longtemps constitué un défi important. Nous avons réalisé dès 2011 le premier laser à polaritons ZnO (à T=120K et un désaccord exciton-photon nul) [1], dans une microcavité hybride (DBR AlN/AlGaN, ZnO réalisé par épitaxie MBE, DBR SiO2/SiN). Son facteur de qualité, Q=450, était cependant trop faible pour permettre un fonctionnement du laser à polaritons à température ambiante. Dans une approche radicalement différente, une microcavité a ensuite été réalisée en insérant une couche active ZnO massive de grande qualité cristalline entre deux miroirs diélectriques SiO2/HfO2 ; le facteur de qualité a alors atteint Q>2000, pour un dédoublement de Rabi de 250 meV. Cette cavité a permis d’observer la condensation des polaritons sur une plage de composition exciton-photon et de température sans précédent, jusqu’à T=300K [2]. Le diagramme de phase complet du laser à polaritons a été mesuré, montrant que le seuil de condensation à 300K est seulement 6 fois supérieur à celui observé à 8K. Ce résultat est en bon accord qualitatif avec des simulations de la relaxation des excitons et des polaritons dans un modèle cinétique. L’accordabilité de cette microcavité constitue un progrès important en comparaison des travaux antérieurs [3,4].La formation et la propagation du condensat de polaritons sont étudiées dans la microcavité de Q>2000 par imagerie 2D de l’émission via un spectromètre imageur, dans l’espace réel comme dans l’espace de Fourier des impulsions. Le laser d’excitation est focalisé sur quelques microns, et les contributions du réservoir d’excitons et des différentes branches polaritoniques sont mesurées (figure 1). Les excitons diffusent sur quelques microns, alors que le condensat de polaritons se propage sur des distances atteignant 10 à 20 µm. Les profils spatiaux du condensat sont comparés aux résultats d’un modèle de formation et de propagation en symétrie cylindrique, permettant d’identifier les différents régimes de fonctionnement : génération, répulsion du condensat par interaction avec le réservoir d’excitons, amplification du condensat lors de la propagation. Ces résultats seront comparés avec les démonstrations récentes dans les microcavités GaAs.La microcavité précédente présente un gradient important d’épaisseur, qui rend difficile la réalisation de condensats de forme variée. Des cavités équivalentes ont alors été réalisées sur des DBR AlN/AlGaN sur mesas Si, dans lesquels le laser à polaritons fonctionne aussi jusqu’à température ambiante [5]. Elles ont permis de travailler sous faisceau laser d’excitation défocalisé ou façonné. Le rôle de la localisation des polaritons sur la distribution spatiale du condensat sera discuté.

Ref HAL: hal-01308220_v1
Ref Arxiv: 1510.06716
DOI: 10.1103/PhysRevB.92.235308
WoS: 000367064700005
Ref. & Cit.: NASA ADS
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7 Citations
Résumé:

The formation and propagation of a polariton condensate under tightly focused excitation is investigated in a ZnO microcavity both experimentally and theoretically. 2D near-field and far-field images of the condensate are measured under quasi-continuous non-resonant excitation. The corresponding spatial profiles are compared to a model based on the Gross-Pitaevskii equation under cylindrical geometry. This work allows to connect the experiments performed with a small excitation laser spot and the previous kinetic models of condensation in a 2D infinite microcavity, and to determine the relevant parameters of both the interaction and the relaxation between the reservoir and the condensate. Two main parameters are identified: the exciton-photon detuning through the polariton effective mass and the temperature, which determines the efficiency of the relaxation from the reservoir to the condensate.

Commentaires: 13 pages, 3 tables and 9 figures. Réf Journal: Phys. Rev. B 92, 235308 (2015)

Ref HAL: hal-01305122_v1
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Résumé:

An indirect exciton (IX) is a quasiparticle consisting of an electron and a hole spatially separated in two different planes of a quantum nanostructure, thus exhibiting a strongly dipolar character. Current research on transport properties of IXs is opening a pathway to the development of novel optoelectronic devices, which have already been demonstrated in GaAs-based heterostructures [1-3]. Applying the same ideas to IXs in wide-band gap polar quantum wells (QWs) is particularly promising because of much larger exciton binding energies and natural dipoles induced by strong built-in electric fields. We have recently studied the transport of IXs in GaN/AlGaN QWs grown on sapphire substrates, at temperatures up to 80 K [4], by mapping the micro-photoluminescence (µ-PL) signal obtained under intense, point excitation. The low-temperature PL recorded at long distances from the excitation spot (30 < r < 100µm) turned out to be a secondary PL, excited by the light emitted at the central spot, guided along the plane, due to the refractive index contrast between the layer and the substrate. At higher temperatures, this signal is rapidly quenched and the distance reached by the measurable PL is limited by recombination of excitons at non-radiative defects. Using GaN substrates instead of sapphire should both suppress the secondary emission and the nonradiative recombination, by reducing dislocation densities by 3-4 orders of magnitude. In this work, we compare exciton propagations in two GaN/Al0.19Ga0.81N QWs of identical structures, except for the substrates, respectively of GaN and sapphire. For the GaN substrate, we indeed observe the mere propagation of excitons up to 35 µm away from the excitation spot and up to 250 K (see below). We propose a drift/diffusion modelling of exciton transport, accounting for dipole-dipole repulsion in high-density regions and for disorder along the sample plane.[1]Y. Y. Kuznetsova, M. Remeika, A. A. High, A. T. Hammack, L. V. Butov, M. Hanson, and A. C. Gossard. Optics Letters 35 (10), 1587 (2010).[2]A.A. High, E.E. Novitskaya, L.V. Butov, and A.C. Gossard. Science 321, 229 (2008).[3]A.A. High, A.T. Hammack, L.V. Butov, and A.C. Gossard. Optics Letters 32, 2466 (2007).[4]F. Fedichkin, P. Andreakou, B. Jouault, M. Vladimirova, T. Guillet, C. Brimont, P. Valvin, T. Bretagnon, A. Dussaigne, N. Grandjean, P. Lefebvre. Phys. Rev. B 91, 205424 (2015).

Ref HAL: hal-01281934_v1
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Résumé:

In this paper, I will review our recent results demonstrating that hBN has an indirect bandgap at 5.9 eV. I will show that the optical properties of hBN are profoundly determined by phonon-assisted transitions with a mirror symmetry between emission and absorption around the indirect exciton at 5.9 eV (Figure 1). I will provide a comprehensive analysis of the emission spectrum in the deep ultraviolet in terms of phonon-assisted transitions involving either virtual or real excitonic states, the latter being provided by structural defects. I will finally point out the complex relaxation dynamics of the quantum gas formed by the reservoir of indirect excitons.

Ref HAL: hal-01281931_v1
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Résumé:

In this paper, I will review our recent results demonstrating that hBN has an indirect bandgap at 5.9 eV. I will show that the optical properties of hBN are profoundly determined by phonon-assisted transitions with a mirror symmetry between emission and absorption around the indirect exciton at 5.9 eV (Figure 1). I will provide a comprehensive analysis of the emission spectrum in the deep ultraviolet in terms of phonon-assisted transitions involving either virtual or real excitonic states, the latter being provided by structural defects. I will finally point out the complex relaxation dynamics of the quantum gas formed by the reservoir of indirect excitons.