Laser organique à base de microcavité à cristaux photoniques 2D François Gourdon Directeur de thèse : Pr Alexis Fischer, Pr Azzedine Boudrioua Encadrement : MCF Nathalie Fabre Laboratoire de Physique des Lasers - CNRS - Université Paris 13 Villetaneuse, France ANR OLD-TEA 090701 Good afternoon, everybody. My name is FG and I am a PhD student at laboratory of laser physics in paris. I am going to talk today about my study on 2D PC using organic gain materials.

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 To start with, I will explain briefly the context. After that, I will describe the realization of an organic laser based on planar 2D PC microcavity. Finally, I will present the results I have obtained.

Le pompage électrique d’un laser organique n’a pas encore été démontré Introduction Les lasers organiques 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 Le pompage électrique d’un laser organique n’a pas encore été démontré

Introduction Problèmes liés au pompage électrique 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 Les microcavités verticales Appl. Phys. Lett. 87, 181108-181111, 2005 ‐ Quelle hétérostructure organique? ‐ Quel type de résonateur? ‐ Comment optimiser les propriétés optiques et électriques? Les micro-disques Materials Science and Engineering: B, 149, 3, 266-269, 2008 Les résonateurs planaires (DFB/DRB) 1D et 2D Optics Express, 14, 20, 9211-9216, 2006

Vers la diode laser organique L’effet laser dans un cristal photonique organique à 2D DFB - Pompage optique Défaut dans une membrane pompage optique Emission by the edge nanoimprint optical pumping Christiansen and al., Appl. Phys. Lett. 93, 231101 Directional lasing oscillation of 2D organic PC lasers at several photonic band gaps M. Notomi and al., Appl. Phys. Lett. 78, 1325 (2001) Emission by the resonant mode thermally evaporated optical pumping Kitamura and al., Appl. Phys. Lett. 87, 151119 (2005) A ce jour, la diode laser organique sous pompage électrique n’a pas été démontrée. L’effet laser a été observé, sous pompage optique, dans différents types de résonateur laser organique. En particulier, les CP 2D qui ont été utilisés en tant que structure de type DFB en vue d'obtenir une émission laser dans les matériaux organiques. Cependant, peu de groupes ont travaillé sur les microcavités à cristaux photoniques et seulement sur des structures de type membranaire. Donc, dans ce travail nous cherchons a étudier la réponse d’une microcavité laser à base de CP organique planaire à 2D sous pompage optique. Démonstration : Microcavité laser à base de cristal photonique 2D hybride organique-inorganique Configuration planaire

Vers la diode laser organique Approche empirique 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 : Estimation du facteur de qualité : Q ~ 104 en AC Q ~ 3.104 en DC

Conception Théorique : Réalisation Théorique : Caractéristique de la microcavité à cristal photonique (CP) Recherche d’un haut facteur de qualité Configuration : Design optimisé Matériau organique dans une microcavité

Paramètres de la microcavité 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 Spectre de PL d’un matériau organique Cristal photonique 2D (mode TE) La première étape de mon travail est d’étudier les paramètres optimaux de la microcavité. Nous avons choisi de centrer la longueur d’onde démission de la microcavité à 650 nm ce qui représente le maximum du spectre d’émission du DCJTB. Pour se faire, nous réalisons un CP dans un diélectrique de Si3N4. Avec un réseau triangulaire pour un confinement latéral de période 250 nm et de rayon des trous de 75 nm. Fréquence normalisée Γ K M Γ

Optimisation de la cavité à cristal photonique sans matériau organique Simulation numérique FDTD 3D : Lumerical Détermination 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 cavité Structures alternatives Type de cavité Q Longueur d’onde d’émission (nm) H2 ~1000 642 L3 620 Heterostructure(1) ~3000 646 Modification local ~6700 645 Paramètres : a = 250 nm r = 75 nm r’ = 60 nm a’ = 210 nm Optimisation du CP pour un haut Q Différentes cavités testés Les simulations sur les CP 2D ont démontré qu’il était possible d’obtenir un facteur de qualité de 8.9×103 par un confinement latéral de la lumière (1)Réf : J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 2629-2634

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 SiO2 Si3N4 Orga HD Paramètres: a = 250 nm r = 75 nm r’ = 60 nm a’ = 210 nm HD = 0 à 300 nm n(Si3N4) = 1.85 norganique= 1.7 n(SiO2) = 1.465 eorganique= 150, 265 et 300 nm e(Si3N4) = 440 nm

Influence du matériau organique sur la microcavité Microcavité H2 Influence de la profondeur de gravure sur Q Profondeur optimale pour : 150 nm d’organique : HD = 0 nm 265 nm d’organique : HD = 90 nm 300 nm d’organique : HD = 150 nm Facteur de qualité d’une microcavité H2 hybride organique-inorganique supérieur à 1000 pour HD=150 nm

Influence du matériau organique sur la microcavité Schéma de la structure SiO2/Si3N4(440nm)/Organique(300nm) Profondeur du CP dans le SiO2 de 0nm SiO2/Si3N4(440nm)/Organique(300nm) Profondeur du CP dans le SiO2 de 150nm Indice de réfraction trop faible entre la couche organique et le Si3N4 Profil du champ dans le CP

Influence du matériau organique sur la microcavité Microcavité L3 Influence de la profondeur de gravure sur Q Profondeur optimale pour : 150 nm d’organique : HD = 0 nm 265 nm d’organique : HD = 90 nm 300 nm d’organique : HD = 150 nm Facteur de qualité d’une microcavité L3 hybride organique-inorganique supérieur à 1000 pour HD=150 nm

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 E-beam Image MEB du CP Etape 1 Lithographie électronique Etape 2 Gravure ICP-RIE (CHF3-O2) Dimensions vérifiées : a = 152 nm r = 76 nm Anisotropie Une fois cette étape d’optimisation validée, nous somme passés à la réalisation en collaboration avec le LPN. La première étape consiste à réaliser un masque du motif dans une résine electrosensible par lithographie électronique. Ensuite, la structure est transférée au nitrure par gravure RIE. L’image de droite montre le CP ainsi obtenu. Et pour finir, une couche organique est déposée par évaporation sur le CP. La couche d’organique déposée est une co-evaporation d’alq3 dopée à 2% de DCJTB. Comme on peut le constater avec l’image MEB, le dépôt d’organique ne bouche pas les trous. Le CP est donc transféré à la couche organique. Etape 3 Elimination de la résine 16 16

Fabrication du cristal photonique Observation de la profondeur de gravure 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

Fabrication du cristal photonique Technique de dépôt Co-évaporation sous vide Contrôle précis des épaisseurs et des concentrations Evite les micro-agrégats Etape 3 Dépôt d’une couche organique Bâti d’évaporation

Fabrication du cristal photonique Image MEB du CP avec une couche organique Couche organique Vue de dessus Vue de coupe Pas de modification du diamètre des trous Transfert du profil à la couche organique Dépôt uniforme sur et dans la structure photonique

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

Banc de mesure Mesure spectrométrique type end fire : 440 nm Si3N4 Sur une structure guidante Injection par la tranche (End-fire coupling) Mesure du signal par la tranche Caractérisation de la BIP 440 nm Si3N4 600 nm SiO2 300 µm Si Vue de coupe Observation par camera CCD Schéma expérimental du banc de caractérisation

Banc de mesure 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 440 nm Si3N4 600 nm SiO2 300 µm Si Vue de coupe Observation par camera CCD Schéma expérimental du banc de caractérisation

Super continuum source 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 Spectrum analyser CCD Objective lens Fiber X10 X50 Stage Substrate Super continuum source Vue de la camera d’un cristal photonique Schéma expérimental du banc de caractérisation Zoom : Image MEB de la cavité

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

Résultats expérimentaux Caractérisation d’une cavité H2 Sans couche organique Réponse passive du CP et de la cavité En accord avec la simulation 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 Spectre du cristal photonique hors cavité Spectre d’émission de la microcavité H2 Validation de la zone de mesure Emission de la microcavité à 633 nm

Bilan Type de cavité BIP (nm) λRésonances (nm) Théorie Expérience Résultats théoriques et expérimentaux de l’émission d’une microcavité de type H2 et L3 ainsi que la bande interdite photonique du cristal photonique Type de cavité BIP (nm) λRésonances (nm) Théorie Expérience H2 (250) 601 - 674 601 - 671 641 633 H2 (240) 570 - 650 570 - 635 623 593 624 L3 (250) 590 - 655 618 630 L3 (240) 583 - 638 611 Décalage théorique/expérience inferieur à 2%

Mesure SNOM : Analyse modale Collaboration avec l’institut CARNO de Dijon Système Injection - Collection Sonde SNOM Fibre optique monomode Données : - Topographique - Intensité de champ (λ ~ 400-800nm) NB : Sensible à la composante normale à l’axe de la sonde SNOM Porte échantillon Injection par la tranche Banc de mesure ICB Dijon B. Cluzel, F. de Fornel 29

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 Emission de la microcavité à 618 nm

Caractérisation de l’émission de microcavité hybride organique-inorganique

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 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 Intensité (u. a.) Longueur d’onde (nm) Spectre d’absorption et spectre de PL de couches minces d’Alq3 et de DCJTB

Résultats et discussion 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 Si substrate SiO 2 Si 3 N 4 Alq3:DCJTB (2 wt %) Organic PC microcavity Pump source Optical system to collect light from the µ - cavity Maintenant je vais vous présenter le banc expérimental pour la caractérisation de structures organiques. Pour la caractérisation de l’émission nous utilisons un système de mesure perpendiculaire à l’échantillon et donc à la cavité. Ce système permet une mesure très précise de la zone d’émission de l’ordre du 1um². L’échantillon est pompé à 355 nm avec un angle de 40°. L’Alq3 absorbe l’énergie de pompe puis le transfert au DCJTB qui lui émet au alentour de 650 nm. SiNx PC microcavity Banc expérimental pour la caractérisation de structures photoniques organiques

Résultats et discussion Microcavité hybride organique-inorganique Type H2 Type L3 Comme mentionné avant, nous allons étudier 2 types de cavité : H2 et L3. Image MEB Image MEB

Résultats et discussion Microcavité hybride H2 Image MEB

Cavité H2 (250-150) Pompage optique : 355 nm Pulsation : 10 Hz Durée du pulse : 6 ns Couche organique : 150 nm Apres seuil Avant seuil C A B FWHM = 4 nm Pour commencer, je vais donc vous présenter les résultats obtenus pour une cavité de type H2 sous pompage optique. Sur le graph de gauche, nous avons mesuré l’émission de la microcavité à différentes énergies de pompe. Nous observons, avant le seuil, le spectre de PL. Il représente l’émission spontanée du matériau organique. Apres le seuil, nous obtenons un pic bien défini centré à 656 nm qui présente la longueur d ’onde d’émission de la microcavité. Pour s’assurer que l’émission provient bien de la microcavité, nous avons mesuré différentes zones de l’échantillon. À l’extérieur de la zone structurée Dans le CP Et sur la cavité On constate un net pic d’émission provenant de la cavité. Spectre d’émission de la microcavité avant et après le seuil laser Intensité lumineuse de différentes zones Pic : 656 nm

Spectre d’émission de la microcavité avant et après le seuil laser Cavité H2 (250-150) Pompage optique : 355 nm Pulsation : 10 Hz Durée du pulse : 6 ns Couche organique : 150 nm Apres seuil Avant seuil FWHM = 4 nm De plus, nous avons tracé l’énergie d’émission de la microcavité en fonction de l’énergie de pompe. On peut observer un seuil de 14 pJ pour une cavité de type H2. Spectre d’émission de la microcavité avant et après le seuil laser Energie d’émission en fonction de l’énergie de pompe pour une cavité de type H2 Pic : 656 nm Seuil : 16.23 µJ/cm²

Cavité H2 (250) Q théorique 1080 1180 1320

Cavité H2 (250) Energie de sortie en fonction de l’énergie de pompe pour une microcavité organique : Noir : H2 (250-150) Seuil : 16.23 µJ/cm² Rouge : H2 (250-300) Seuil : 7.2 µJ/cm²

Résultats et discussion Microcavité hybride L3 Image MEB

Spectre d’émission de la microcavité avant et après le seuil laser Cavité L3 (250-150) Pompage optique : 355 nm Pulsation : 10 Hz Durée du pulse : 6 ns Couche organique : 150 nm Apres seuil Avant seuil FWHM = 3.5 nm Nous avons réalisé la même étude pour une cavité de type L3. Nous avons obtenu un pic à 653 nm avec un seuil de 17pJ dans la cavité. Spectre d’émission de la microcavité avant et après le seuil laser Energie d’émission en fonction de l’énergie de pompe pour une cavité de type L3 Pic : 653 nm Seuil : 20.39 µJ/cm²

Cavité L3 (250) Epaisseur d’organique 150 nm 300 nm Résultats Théoriques 632.3 nm 633.9 nm Résultats expérimentaux 653 nm 660 nm Longueur d’onde à mi-hauteur 4.5 nm Seuil 20.39 µJ/cm² 9,3 µJ/cm² Q 926 1818

Cavité L3 (250-150) Energie de sortie en fonction de l’énergie de pompe pour une microcavité organique : Noir : L3 (250-150) Seuil : 20.39 µJ/cm² Rouge : L3 (250-300) Seuil : 9.3 µJ/cm²

Conclusion et perspectives 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 Pour conclure. Nous avons démontré la réalisation d’un laser organique à base de cavité à CP 2D sous pompage optique. De nouvelles études sont en court pour diminuer le seuil laser. La prochaine étape est d’étudier l’effet laser sous pompage électrique par le développement d’un CP dans l’ITO.   Je vous remercie pour votre attention.

Publications et remerciements 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