Ref HAL: hal-01308209_v1
DOI: 10.1038/srep21650
WoS: WOS:000370351200001
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45 Citations
Résumé:

Deep ultra-violet semiconductor lasers have numerous applications for optical storage and biochemistry. Many strategies based on nitride heterostructures and adapted substrates have been investigated to develop efficient active layers in this spectral range, starting with AlGaN quantum wells on AlN substrates and more recently sapphire and SiC substrates. Here we report an efficient and simple solution relying on binary GaN/AlN quantum wells grown on a thin AlN buffer layer on a silicon substrate. This active region is embedded in microdisk photonic resonators of high quality factors and allows the demonstration of a deep ultra-violet microlaser operating at 275 nm at room temperature under optical pumping, with a spontaneous emission coupling factor $\beta=(4±2) 10^{-4}$. The ability of the active layer to be released from the silicon substrate and to be grown on silicon-on-insulator substrates opens the way to future developments of nitride nanophotonic platforms on silicon.

Ref HAL: hal-01389731_v1
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Commentaires: Ecole Internationale. Cours présenté par Masha Vladimirova.

Résumé:

Wide bandgap semiconductors (GaN and nitride alloys, ZnO) provide a spectrally-broad transparency -expanding from the near-infrared to the ultraviolet- as well as robust excitons that are efficiently interacting with light and stable up to room temperature. They offer a promising playground for non-linear optics and micro- or nano-lasers at 300K. Over the last decade, the progresses of the nitrides' processing has allowed to fabricate nanophotonic resonators and devices such that the interaction between excitons and photons can be tailored on demand. We will review our recent achievements, ranging from ZnO polariton lasers based on 2D vertical cavities, to UV-C GaN/AlN microdisk lasers and second-harmonic generation in photonic crystal cavities. These works result from collaborations with CNRS (CRHEA, LPN), and Orsay and Clermont-Ferrand Universities (IEF, IP).

Ref HAL: hal-01308247_v1
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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-01308239_v1
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Résumé:

The development of semiconductor lasers in the deep ultra-violet (UV) spectral range is attracting a strong interest, related to their multiple applications for optical storage, biochemistry or optical interconnects. UV-emitting ridge lasers usually embed nitride heterostructures grown on complex buffer layers or expensive substrates – an approach that cannot be extended to nano-photonics and microlasers. We demonstrate here the first deep UV microlaser by combining binary GaN/AlN thin quantum wells (QWs) grown on a silicon substrate and high quality factor microdisk resonators. Those microdisk lasers operate at 275nm at room temperature under optical pumping.The nitride heterostructures grown on silicon present a strong interest for nanophotonic devices emitting in the blue and UV range. The etching selectivity of the silicon substrate allows to realize free membrane photonic structures with high quality factors (Q) [1-3]. In the present microdisk resonators, the electromagnetic modes, the so-called Whispering-Gallery Modes (WGMs), present a low modal volume and Q factors of 6000 [4]. The difficulty in extending their lasing operation in the UV range mainly lies in the control of the active layer. Low defect density quantum wells grown on thick buffer layers or nitride substrates are usually employed for ridge lasers. Here we show that binary GaN/AlN ultra-thin quantum wells directly grown on a silicon substrate can maintain a large emission efficiency and lead to lasing at room temperature (Figure 1). This active layer can form free-standing membranes and is further compatible with future developments of nitride nanophotonic platforms on silicon.

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)