L’étude en micro-photoluminescence des cavités microdisques associées aux nanocristaux a été réalisée sur un banc optique adapté aux longueurs d’ondes visibles mis en place par Fabian Rol du laboratoire NPSC. Ce banc de micro-photoluminescence est similaire à celui que nous utilisons pour la caractérisation dans l’infra-rouge, ce qui nous a permis de tirer parti de l’expérience acquise lors de la caractérisation des disques SRO:Er décrite plus loin dans ce chapitre. L’excitation utilise un laser Argon à la longueur d’onde de 365 nm focalisé sur la surface de l’échantillon par un objectif à miroirs. La collecte du signal s’effectue par le même objectif, sans possibilité de collection par la tranche. Le signal est dispersé par un spectromètre (Jobin-Yvon TRIAX 550) pourvu de réseaux de 600, 1200 et 1800 tr/mm et analysé par une caméra CCD visible de 512 par 2048 pixels de 13.5 µm de côté. Un tel système permet d'atteindre une résolution théorique maximale de 0.3 Å
La longueur d’onde d’émission des nanocristaux que nous avons utilisés est de l’ordre de 500 nm, soit trois fois inférieure à celle d’émission de l’erbium. Au début de l’étude dans le visible, les premiers résultats sur les cavités à 1.5 µm étaient en cours de publication. Il a donc fallu en peu de temps réduire par un facteur 3 les dimensions des disques pour pouvoir obtenir les premiers résultats sur la visualisation des modes de galerie dans le visible. Les premiers essais effectués sur des disques dont l’épaisseur avait été choisie pour obtenir une couche monomode n’ont pas montré de modes de galerie. Le même phénomène a d’ailleurs été observé dans l’infrarouge avec des disques fonctionnalisés par dépôt de SRO:Er. Dans les deux cas, nous avons interprété ce défaut de modes comme étant dû à un indice effectif des modes trop faible. La partie évanescente des modes de galerie dans l’épaisseur du disque est alors trop importante, et les facteurs de qualité résultant chutent drastiquement au point qu'on ne les discerne plus dans le spectre. Nous avons donc fabriqué de nouveaux disques constitués de silice d’épaisseur 500 nm.
4.2CARACTERISATION DE DISQUES D'OXYDE PAR MICRO-PHOTOLUMINESCENCE
Figure 4-6 : spectre de photoluminescence sous excitation à 365 nm d'un disque de silice recouvert de nanocristaux CdSe/ZnS et de PMMA ; (a) excitation sur le bord du disque mettant en évidence
l'apparition de résonances liées au couplage des émetteurs aux modes de galerie, (b) spectre caractéristique d'un ensemble de nanocristaux, sans couplage à des modes résonants, obtenu par
excitation au centre du disque.
Le spot d’excitation de 3 µm de diamètre peut être déplacé à la surface de l’échantillon. En excitant le centre du disque, on obtient un spectre caractéristique de l’émission de nanocristaux, ne présentant pas de résonances particulières (fig. 4-6 b). Le recouvrement entre les émetteurs excités, au centre du disque, et les modes de galerie, situés en périphérie, est en effet nul dans ces conditions. La répartition gaussienne de l’émission de nanocristaux, censée présenter des transitions discrètes, est due à la dispersion en taille sur l’ensemble étudié. Cette dispersion est bien contrôlée et correspond aux spécifications du fabricant. En déplaçant le spot d’excitation vers l’extérieur du disque, on va favoriser l’excitation d’émetteurs dont la localisation est favorable au couplage avec les modes de galerie. En excitant les nanocristaux situés au bord du disque, on observe alors, en plus de l’émission naturelle des nanocristaux, des pics de résonance régulièrement espacés (fig. 4-6 a). Ces pics se regroupent en plusieurs familles se présentant sous forme de peignes et caractérisées par leur FSR. Une famille, ou un peigne, correspond à un ordre axial et radial donné, chaque « dent » correspondant à une valeur de l’ordre azimutal m.
Figure 4-7 : Spectres de micro-photoluminescence d'un disque de 10 µm recouvert de nanocristaux et de PMMA ; (a) 0.2 nm de résolution, et (b) agrandissement de la partie grisée de (a) avec une résolution de 0.06 nm. Les lettres indiquent les différentes familles de modes (ensemble des modes de
polarisation et d'ordres axiaux et radiaux identiques ; seul l'ordre azimutal m varie)
On remarque sur les spectres relevés que les FSR mesurés pour chaque famille de modes ne diffèrent que de 4-5% au maximum. Etant donné la différence entre leurs indices effectifs, on obtiendrait une variation du FSR de 15% entre deux modes d’ordre axial successifs. On peut donc supposer que l’on n’observe que les modes d’ordre axial fondamental. Cette supposition est d’ailleurs en accord avec l’impossibilité d’observer des modes de galerie pour des disques monomodes dans l’épaisseur : les modes d’indice effectif trop faible ne peuvent pas être observés. Sans autre information sur la polarisation des modes, et compte tenu du nombre de peignes observés, on peut estimer que l’on observe des modes de galerie du type TE0m,n et TM0m,n avec n pouvant varier entre 1 et 4.
Notons que de telles observations sont faites systématiquement pour des disques de diamètres allant de 9 à 12 µm.
Figure 4-8 : Comparaison entre les spectres de micro-photoluminescence obtenus d'un même disque de 10 µm de diamètre pour deux recouvrements successifs par des couches de nanocristaux différents.
4.2CARACTERISATION DE DISQUES D'OXYDE PAR MICRO-PHOTOLUMINESCENCE
Les facteurs de qualité observés varient en fonction de la famille de modes considérée entre 4000 et 9000, les plus hautes valeurs correspondant à la limite de résolution du montage. Ces valeurs confirment d’une part la qualité des cavités fabriquées par nos soins, mais également le potentiel des nanocristaux qui n’engendrent pas par leur absorption de dégradation majeure du facteur de qualité. Par ailleurs, la reproductibilité du phénomène est exemplaire. Les nanocristaux déposés sur les disques peuvent être éliminés par nettoyage au trichloréthylène, et le dépôt d’émetteurs recommencé plusieurs fois. A chaque observation, avec éventuellement des nano-cristaux différents, on retrouve bien les modes de galerie aux même longueurs d’ondes et avec les même facteurs de qualité (fig. 4-8). Les nanocristaux s’avèrent donc un outil puissant pour la caractérisation non destructive de cavités optiques.
4.2.2. Microdisques et erbium
L’intégration de SRO:Er dans les disques puis dans les tores était au départ pressenti comme une amélioration potentielle de structures réalisées dans un premier temps en silice implantée erbium. Le travail effectué par Frédéric Mazen, en post-doctorat au laboratoire pendant un an, et de Pierre Noé à sa suite a cependant permis une telle avancée sur ce matériau que nous avons pu l’utiliser comme émetteur dès la fabrication des premiers disques d'oxyde. Ses propriétés optiques, et en particulier l’efficacité de transfert de la pompe à l’erbium, en font un matériau particulièrement adapté à l’étude en source interne de cavités optiques à base de silice. Par ailleurs, ses potentialités en terme d’excitation électrique ouvrent des possibilités inaccessibles à la silice implantée erbium.