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Nouvelles sources laser hybrides métal/semiconducteur – NEHMESIS

Résumé de soumission

Dans ce projet nous développerons un nouveau type de source laser hybride métal/semiconducteur exploitant les potentialités des modes Tamm optiques. Ces modes de surface mis en évidence récemment dans le domaine optique apparaissent à l’interface entre une couche métallique et un miroir de Bragg. Ils présentent de nombreux avantages qui pourront être exploités aussi bien pour la réalisation de sources photoniques que plasmoniques. En effet, du fait de leur nature hybride métal/diélectrique ils peuvent se coupler soit au mode optique dans le cône de lumière soit directement au plasmon de surface métal/air. Ils présentent par ailleurs des pertes plus faibles que les plasmons conventionnels et peuvent être contrôlés et confinés latéralement par une simple structuration de la couche métallique. Enfin cette dernière permet d’envisager l’injection électrique des structures pour la réalisation de sources photoniques ou plasmoniques intégrables. D’un point de vue fondamental cette étude s’insèrera dans une tendance générale de la plasmonique qui vise à rechercher des modes à pertes réduites tout en conservant les propriétés clés des plasmons (localisation spatiale, renforcement de l’émission spontanée, effet laser). Trois axes de recherches seront poursuivis en parallèle :

• Le premier axe aura pour objectif final la réalisation d’une source laser confinée latéralement et injectée électriquement. Nous nous attacherons tout d’abord à la mise en évidence et à l’optimisation de l’effet laser sous pompage optique dans une structure à Tamm confinée par un disque métallique. L’amélioration des propriétés optiques de la structure du fait du confinement (facteur de qualité, facteur beta renforcé, seuil laser) sera étudiée expérimentalement et par des modélisations théoriques. Un design pour l’injection électrique de ces structures sera développé en parallèle. Dans un deuxième temps, le degré de liberté offert par la facilité de structuration du métal sera utilisé pour concevoir des géométries permettant un contrôle de la polarisation de l’émission, ou encore l’exploitation des modes de galerie présents dans ces structures.

• Le deuxième objectif est de former une bande interdite dans la relation de dispersion du mode Tamm en structurant uniquement la couche métallique de manière périodique. Des cavités à cristaux photoniques seront réalisés dans le but d’augmenter le confinement du champ sans augmenter les pertes, de contrôler la directivité de l’émission et de réduire la taille des dispositifs. Cette approche s’appuie sur des procédés technologiques très bien maitrisés, et n’implique aucune dégradation de la couche active lors de la gravure (seul le métal est structuré). Des structures Tamm périodiques seront modélisées et caractérisées afin d’évaluer l’impact de cette structuration sur les propriétés d’émission du système, et d’aller vers une émission laser optimisée en terme de seuil et de directivité d’émission.

• Enfin, nous exploiterons le caractère hybride métal/diélectrique des Tamm ainsi que leur compatibilité avec une excitation électrique pour la réalisation de sources à plasmons de surface. Deux directions seront poursuivies : le couplage Tamm/plasmon par réseau gravé sur le métal ou le couplage direct entre ces deux modes. Des modélisations et des caractérisations optiques seront mise en œuvre pour mettre en évidence et optimiser le couplage Tamm/plasmon dans ces deux configurations, afin dans un deuxième temps de l’exploiter pour la réalisation de sources à plasmons.

La réalisation de ce projet permettra non seulement une meilleure compréhension des effets physiques associés à ces nouveaux modes à la frontière entre plasmon et photon, mais également d’ouvrir la voie d’une part au développement d’un nouveau type de structure laser dont les propriétés pourront être contrôlées par des techniques simples technologiquement, et d’autre part à des dispositifs permettant de transformer une excitation électrique en plasmon de surface.

Coordination du projet

Clémentine Symonds (Institut Lumière Matière)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IOGS (Institut d'optique théorique et appliquée) Laboratoire Charles Fabry (LCF)
LPN (CNRS DR IDF SUD) Laboratoire de Photonique et Nanostructures
ILM Institut Lumière Matière
INL Institut des Nanotechnologies de Lyon
LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures

Aide de l'ANR 641 207 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2013 - 42 Mois

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