laser organique à base de microcavité à cristaux photoniques 2d

LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS

Photonique Photonique Organique et Organique et

NanostructureNanostructure

LASER ORGANIQUE LASER ORGANIQUE À BASE DE MICROCAVITÉ À À BASE DE MICROCAVITÉ À

CRISTAUX PHOTONIQUES 2DCRISTAUX PHOTONIQUES 2D

François Gourdon

Directeur de thèse : Pr Alexis Fischer, Pr Azzedine BoudriouaEncadrement : MCF Nathalie Fabre

Laboratoire de Physique des Lasers - CNRS - Université Paris 13 Villetaneuse, France

ANR OLD-TEA 090701

Plan de l’exposé

Introduction / Contexte

Conception numérique et réalisation technologique des structures

Optimisation de la microcavité à CP 2D

Optimisation de la microcavité laser hybride organique-inorganique

Fabrication de microcavité à cristal photonique

Processus technologique

Insertion des matériaux organiques

Caractérisation optique de l’émission des microcavités lasers

Description et principe du banc expérimental

Résultats et discussion des microcavités à cristal photonique et des

microcavités hybrides organiques-inorganiques

Conclusion / Perspectives

2

Introduction

► Les lasers organiques

3

Le pompage électrique d’un laser organique n’a pas encore été démontré

Avantages : Matériaux organiques bons candidats comme milieu à gain Flexibilité mécanique Faible coût de production Source accordable sur tout le spectre visible

Inconvénients : Nécessite une source optique extérieure Photodégradation de la couche organique Pompage en continu difficile

Introduction

► Problèmes liés au pompage électrique

4

Problèmes optiques : Faible indice de réfraction des organiques (n=1.7) Absorption des photons par les électrodes Des pertes par annihilation Singulet-Triplet (TTA)

Problèmes électriques : Absorption polaronique Faible mobilité des porteurs de charge Faible densité de courant des OLED (<1A/cm² en regime continu)

Objectifs : Placer le matériau organique dans un résonateur Diminuer le seuil laser Viser le pompage électrique impulsionnel

Vers la diode laser organique

► Le laser organique

5

Optics Express, 14, 20, 9211-9216, 2006

Materials Science and Engineering: B, 149, 3, 266-269, 2008

Appl. Phys. Lett. 87, 181108-181111, 2005

Les résonateurs planaires (DFB/DRB) 1D et 2D

Les micro-disques

Les microcavités verticales

‐ Quelle hétérostructure organique?

‐ Quel type de résonateur?

‐ Comment optimiser les propriétés optiques et électriques?


6

Emission by the edge nanoimprint optical pumpingChristiansen and al., Appl. Phys. Lett. 93, 231101

Emission by the resonant mode thermally evaporated optical pumpingKitamura and al., Appl. Phys. Lett. 87, 151119 (2005)

L’effet laser dans un cristal photonique organique à 2D

Démonstration : Microcavité laser à base de cristal photonique 2D

hybride organique-inorganiqueConfiguration planaire

Directional lasing oscillation of 2D organic PC lasers at several photonic band gapsM. Notomi and al., Appl. Phys. Lett. 78, 1325 (2001)

Défaut dans une membrane pompage optique

DFB - Pompage optique


► Approche empirique

7

Représentation graphique des différentes expériences lasers avec des matériaux organiques

rapportées dans la littérature

Nécessite une densité de courant de :- 100 A/cm² en AC- 0.1 A/cm² en DC

Densité de courant équivalente à la densité d'excitation en pompage optique en fonction du facteur de qualité par :

th thq

J Ih

Estimation du facteur de qualité :- Q ~ 104 en AC- Q ~ 3.104 en DC

8

Conception

Théorique : • Caractéristique de la microcavité à cristal photonique (CP)• Recherche d’un haut facteur de qualité

Configuration :• Design optimisé• Matériau organique dans une microcavité

Réalisation

9

Paramètres de la microcavité

Spectre de PL d’un matériau organique

Cristal photonique 2D (mode TE)

500 600 700 8000

10k

20k

30k

40k

50k

60k

Longueur d'onde (nm)

Inte

nsité

(u.

a.)

Fré

quen

ce n

orm

alis

ée

► Longueur d’onde d’émission Emission centrée à λ~650 nm

► Matériau Substrat diélectrique : Si3N4

Transfert du CP dans la couche organique

► Paramètres Choix de la maille du réseau et du

facteur de remplissage

Modification de la BIP en fonction du type du réseau

- Réseau : triangulaire- Confinement latéral : Si3N4/ trous

Γ ΓK M

Optimisation de la cavité à cristal photonique sans matériau organique

10(1)Réf : J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 2629-2634

► Simulation numérique FDTD 3D : LumericalDétermination de la BIP sur la plage d’émission : ~[590 nm;680 nm]Evaluation du facteur de qualité Q~/Δ avec émission ~630 nm

► Différentes typologies étudiées :Variation locale de la géométrie du réseau en bord de cavitéStructures alternatives

Type de cavité QLongueur d’onde d’émission (nm)

H2 ~1000 642

L3 ~1000 620

Heterostructure(1) ~3000 646

Modification local~670

0645

Paramètres :a = 250 nmr = 75 nmr’ = 60 nma’ = 210 nm

Influence du matériau organique sur la microcavité

Simulation de la microcavité hybride organique-inorganique Analyse en fonction de la profondeur de gravure (HD) Analyse en fonction de l’épaisseur d’organique

11

SiO2

Si3N4Si3N4

Orga Orga

HD

n(Si3N4) = 1.85norganique= 1.7n(SiO2) = 1.465eorganique= 150, 265 et 300 nme(Si3N4) = 440 nm

Paramètres:a = 250 nmr = 75 nmr’ = 60 nma’ = 210 nmHD = 0 à 300 nm


12

SiO2

Si3N4Si3N4

Orga Orga

HD

0 50 100 150 200 250 3000

200

400

600

800

1000

1200

1400

150 nm d'organique 265 nm d'organique 300 nm d'organique

Profondeur de gravure (nm)

Fac

teur

de

qual

ité

Facteur de qualité d’une microcavité H2 hybride organique-inorganique supérieur à 1000 pour HD=150 nm

► Microcavité H2 Influence de la profondeur de gravure sur Q

Profondeur optimale pour :

150 nm d’organique : HD = 0 nm265 nm d’organique : HD = 90 nm300 nm d’organique : HD = 150 nm


► Schéma de la structure

13

SiO

2

Si3N

4

Air

Org

aniq

ue

Si3N

4+ o

rga

niq

ue

SiO

2

Si3N

4

Air

Org

aniq

ue

SiO2/Si3N4(440nm)/Organique(300nm)Profondeur du CP dans le SiO2 de 150nm

SiO2/Si3N4(440nm)/Organique(300nm)Profondeur du CP dans le SiO2 de 0nm

Indice de réfraction trop faible entre la couche organique et le Si3N4

Profil du champ dans le CP


14

Facteur de qualité d’une microcavité L3 hybride organique-inorganique supérieur à 1000 pour HD=150 nm

0 50 100 150 200 250 3000

500

1000

1500

2000

150 nm d'organique 265 nm d'organique 300 nm d'organique

Profondeur de gravure (nm)

Fac

teur

de

qual

ité

Profondeur optimale pour :

150 nm d’organique : HD = 0 nm265 nm d’organique : HD = 90 nm300 nm d’organique : HD = 150 nm

SiO2

Si3N4Si3N4

Orga Orga

HD

► Microcavité L3 Influence de la profondeur de gravure sur Q

15

Réalisation

Processus technologique : • Issu de la microélectronique (collaboration avec le LPN)• Optimisation des paramètres de fabrication d’une microcavité organique à cristal photonique• Insertion des matériaux organiques

Fabrication du cristal photonique

16

Etape 1 Lithographie électronique

Etape 2 Gravure ICP-RIE

(CHF3-O2)

Image MEB du CPE-beam

Etape 3 Elimination de la

résine

Dimensions vérifiées :- a = 152 nm- r = 76 nm- Anisotropie


► Observation de la profondeur de gravure

17

440 nm

150 nm

440 nm

150 nm

Profondeur de gravure :- Totalité de la couche de Si3N4 gravée (440 nm)- Gravure de 150 nm de la couche de SiO2

Image MEB du CP

► Technique de dépôt Co-évaporation sous vide Contrôle précis des

épaisseurs et des concentrations

Evite les micro-agrégats


18

Etape 3 Dépôt d’une couche

organique

Bâti d’évaporation


19

► Image MEB du CP avec une couche organique

Couche organique

Vue de dessus Vue de coupe

Pas de modification du diamètre des trousTransfert du profil à la couche organiqueDépôt uniforme sur et dans la structure photonique

20

Caractérisation

En champ lointain : • Développement d’un banc expérimental au sein du laboratoire• Analyse spectrale de CP avec et sans matériau à gain (OLED)

En champ proche (SNOM) :• Topographie• Etude modale

Couche organique

Couche diélectrique

Substrat

Mise en œuvre d’un Banc expérimental

21

Banc de mesure

22

Mesure spectrométrique type end fire :– Sur une structure guidante– Injection par la tranche (End-fire coupling)– Mesure du signal par la tranche– Caractérisation de la BIP

Observation par camera CCD

440 nm Si3N4

600 nm SiO2

300 µm Si

Vue de coupe

Schéma expérimental du banc de caractérisation

Banc de mesure

23

Mesure de l’émission perpendiculaire à l’échantillon– Sur la cavité avec ou sans matériau à gain de type couche organique– Caractérisation de la résonance de la cavité : fréquence de résonance + FWHM

Schéma expérimental du banc de caractérisation Observation par camera CCD

440 nm Si3N4

600 nm SiO2

300 µm Si

Vue de coupe

Banc de mesure

► Analyse spatiale et spectrale Réduction de la zone de mesure :

Zone localisée ~ 1 µm2

Mesure spectrale de la résonance de la cavité

24

Spectrum analyser

CCD

Objective lensFiber

X10

X50

SubstrateSuper continuum source

Schéma expérimental du banc de caractérisationVue de la camera d’un cristal

photoniqueZoom : Image MEB de la cavité

Caractérisation de l’émission des microcavités à cristal photonique sans couche organique

25

Résultats expérimentaux

26

► Caractérisation d’une cavité H2 Sans couche organique

► Réponse passive du CP et de la cavité► En accord avec la simulation

(nm)

(u.a

.)

k

M

Γ

Γ

450 500 550 600 650 700 750

0

5000

10000

15000


Inte

nsité

(u.

a.)

λbip théo=[601 nm ; 674 nm] λbip xp = [601 nm ; 671 nm]

Résultats expérimentaux

► Caractérisation d’une cavité H2 Spectre en fonction de 2 zones de détection

27

450 500 550 600 650 700 750

0

5000

10000

15000

20000


Inte

nsi

té (

u.a.

)

450 500 550 600 650 700 750

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Longueur d'onde (nm)In

ten

sité

(u

.a.)

Spectre du cristal photonique hors cavité Spectre d’émission de la microcavité H2

Validation de la zone de mesureEmission de la microcavité à 633 nm

Bilan

28

Type de cavité

BIP (nm) λRésonances (nm)Théorie Expérience Théorie Expérience

H2 (250) 601 - 674 601 - 671 641 633 H2 (240) 570 - 650 570 - 635 623 593

624 L3 (250) 601 - 674 590 - 655 618 630 L3 (240) 570 - 650 583 - 638 611 618

Résultats théoriques et expérimentaux de l’émission d’une microcavité de type H2 et L3 ainsi que la bande

interdite photonique du cristal photonique

Décalage théorique/expérience inferieur à 2%

Mesure SNOM : Analyse modale

29

Sonde SNOM

Injection par la tranche

Porte échantillon

Système Injection - Collection

Fibre optique monomode

Données :

- Topographique

- Intensité de champ (λ ~ 400-

800nm)

NB : Sensible à la composante

normale à l’axe de la sonde SNOM

Banc de mesure ICB DijonB. Cluzel, F. de Fornel

► Collaboration avec l’institut CARNO de Dijon

SNOM : Résultats

► Technique Hyper-spectrale dans le visible Résolution lambda ~ 1 nm Résolution xy ~ qqs nm

► Mesure à hauteur constante► Mesure dans le champ proche à qqs nm de la surface

30

Emission de la microcavité à 618 nm

Caractérisation de l’émission de microcavité hybride organique-inorganique

31

Choix des matériaux organiques

► Système guest:host Dispersion du dopant dans une matrice (taux ajustée à 2%) Chevauchement du spectre démission de la molécule hôte et du

spectre d’absorption du dopant

32

Spectre d’absorption et spectre de PL de couches minces d’Alq3 et de DCJTB

Couche organique :Matrice : Alq3- Bonne mobilité des électrons- Coefficient d’absorption élevé- Energie élevée des triplets - Bonne stabilité

Dopant : DCJTB- Spectre d’émission centré à 650 nm- Bonne photostabilité- Rendement de fluorescence proche de 1

400 500 600 700 8000,0

0,5

1,0

Abs. Alq3 Abs. DCJTB PL Alq3:DCJTB PL ALq3

Wavelength (nm)

Inte

nsity

(a.

u.)

Ch

evau

chem

ent

spec

tral

Inte

nsité

(u.

a.)

Longueur d’onde (nm)

Résultats et discussion

33

► Mesure de l’émission de la microcavité hybride organique-inorganique Matériaux organiques (Alq3:DCJTB) Pompage optique : Laser Nd:YAG triplé à 355 nm Zone de détection ~ 1 µm²

Banc expérimental pour la caractérisation de structures photoniques organiques

Si substrate

SiO2

Si3N4

Alq3:DCJTB (2 wt %)Organic PC microcavity

Pump sourceOptical system to collectlight from the µ-cavity

SiNx PC microcavity


34

Type H2 Type L3

Image MEB Image MEB

Microcavité hybride organique-inorganique


35

Microcavité hybride H2

Image MEB

Cavité H2 (250-150)

36

Pompage optique : 355 nm Pulsation : 10 Hz Durée du pulse : 6 ns Couche organique : 150 nm

Pic : 656 nm

Spectre d’émission de la microcavité avant et après le seuil laser

Intensité lumineuse de différentes zones

500 550 600 650 700 750

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Wavelength (nm)

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

FWHM = 4 nm

500 550 600 650 700 750 800

Inte

nsity

(a.

u.)

Wavelength (nm)

A B C

A

B

C

Apres seuil

Avant seuil

0,01 0,1100

1000

Pump energy (nJ)

outp

ut e

nerg

y (a

.u.)

Cavité H2 (250-150)

37


Pic : 656 nm


Energie d’émission en fonction de l’énergie de pompe pour une cavité de type H2

500 550 600 650 700 750

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Wavelength (nm)

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

Seuil : 16.23 µJ/cm²

FWHM = 4 nm

Apres seuil

Avant seuil

Cavité H2 (250)

38

Q théorique 1080 1180 1320

500 550 600 650 700 750 800

0

2500

5000

7500

10000

12500

15000 7,19 J/cm² 9,7 J/cm² 45,07 J/cm² 92,53 J/cm²

Wavelength (nm)

Inte

nsity

(a.

u.)

x10

500 550 600 650 700 750 800

0

2000

4000

6000

8000 8,26 µJ/cm² 16,23 µJ/cm² 60,12 µJ/cm² 387 µJ/cm²


Inte

nsité

(u.

a.)

x10

500 550 600 650 700 750 800

0

1000

2000

2,39 µJ/cm² 7,2 µJ/cm² 30,8 µJ/cm² 140 µJ/cm²

Longueur d'onde (nm)In

tens

ité (

u.a.

)

Epaisseur d’organique

150 nm 265 nm 300 nm

Résultats théoriques 657.7 nm 659 nm 660 nm Résultats

expérimentaux 656.2 nm 662 nm 666.2 nm

Longueur d’onde à mi-hauteur

4.5 nm 4.5 nm 4.5 nm

Seuil 16.23 µJ/cm2 9,7 µJ/cm2 7.2 µJ/cm²

Cavité H2 (250)

39

1 10 100 1000100

1000

10000 150 nm 300 nm

Energie de pompe (µJ/cm²)

Ene

rgie

de

sort

ie (

u.a.

)

Energie de sortie en fonction de l’énergie de pompe pour une microcavité organique :

Noir : H2 (250-150) Seuil : 16.23 µJ/cm²Rouge : H2 (250-300) Seuil : 7.2 µJ/cm²


40

Image MEB

Microcavité hybride L3

0,01 0,110

100

1000

10000

Pump energy (nJ)

Ou

pu

t en

erg

y (a

.u.)

Cavité L3 (250-150)

41


Pic : 653 nm


Energie d’émission en fonction de l’énergie de pompe pour une cavité de type L3

500 550 600 650 700 750

0

2500

5000

7500

10000

12500

Wavelength (nm)

Inte

nsity

(W

)

Seuil : 20.39 µJ/cm²

FWHM = 3.5 nm

Apres seuil

Avant seuil

Cavité L3 (250)

42

500 550 600 650 700 750 800

0

2500

5000

7500

10000 8,28 µJ/cm² 20,39 µJ/cm² 318 µJ/cm²


Inte

nsite

(u.

a.)

500 550 600 650 700 750 800

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000 2,38 µJ/cm² 9,3 µJ/cm² 65,8 µJ/cm² 163 µJ/cm²


Inte

nsite

(u.

a.)

Epaisseur d’organique

150 nm 300 nm

Résultats Théoriques

632.3 nm 633.9 nm

Résultats expérimentaux 653 nm 660 nmLongueur d’onde à mi-

hauteur4.5 nm 4.5 nm

Seuil 20.39 µJ/cm² 9,3 µJ/cm²Q 926 1818

Cavité L3 (250-150)

43

1 10 100 100010

100

1000

10000

150 nm 300 nm

Energie de pompe (µJ/cm²)

Ene

rgie

de

sort

ie (

u.a.

)

Energie de sortie en fonction de l’énergie de pompe pour une microcavité organique :

Noir : L3 (250-150) Seuil : 20.39 µJ/cm²Rouge : L3 (250-300) Seuil : 9.3 µJ/cm²

Conclusion et perspectives

44

Conception et Réalisation d’un Cristal Photonique

Mise au point d’un banc de caractérisation de structures photoniques

Réalisation d’un laser organique à base de microcavité planaire

hybride organique-inorganique sous pompage optique

Energies de seuil de 7.2 µJ/cm² et 9.3 µJ/cm² pour une microcavité H2 et L3,

respectivement

Une densité de courant équivalente de 1,8.104 A.cm-2 et de 8,3.103

A.cm-2 pour une cavité H2 (250-150) et H2 (250-300 )

Sur la tendance Q compris entre 700 et 1000

Développement d’une microcavité à CP gravée dans un TCO (~cathode

d’une OLED) pour le pompage électrique

Etude de l’effet laser sous pompage électrique

Publications et remerciements

45

Articles : [1]. F. Gourdon, M. Chakaroun, N. Fabre, J. Solard, E. Cambril, A.-M. Yacomotti, S. Bouchoule, A. Fischer, and A. Boudrioua, “Optically pumped lasing from organic two-dimensional planar photonic crystal microcavity”, App. Phys. Lett. 100, 213304-213307, 2012.[2]. F. Gourdon, N. Fabre, M. Chakaroun, J. Solard, E. Cambril, A. Yacomotti, S. Bouchoule, A. Fischer, A. Boudrioua and B. Geffroy, “Study of two-dimensional photonic-crystal cavity using organic gain materials”, Proc. SPIE 8435-53, 2012.[3]. M. Chakaroun, A. Coens, N. Fabre, F. Gourdon, J. Solard, A. Fischer, A. Boudrioua, and C.C. Lee, “Optimal design of a microcavity organic laser device under electrical pumping”, Optics Express, 19, 2, 493-505, 2011.

Remerciements :

Aux membre du jury

Aux collaborateurs du projet ANR

Aux membres de l’équipe

A tous les membres du LPL

laser organique à base de microcavité à cristaux photoniques 2d

Documents