Les lasers miniatures : Vers un nouvel éclairage sur la physique des lasers? I. Robert-Philip

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1 Les lasers miniatures : Vers un nouvel éclairage sur la physique des lasers? I. Robert-Philip

2 Quelle taille? P. 1 Molécule ADN Cheveu Nanotransistor (CNRS/LPA) Transistor (Intel) Microprocesseur 0.1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm Nanomonde

3 Quelle taille? P. 2 Nanotransistor (CNRS/LPA) Transistor (Intel) Microprocesseur Ultra-Violet Visible Infra-Rouge 0.1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm Nanomonde Les lasers miniatures!

4 Comment fabriquer un tel laser miniature? P. 3 Cavité Milieu à gain

5 Quel milieu à gain? P. 4 Matériaux semiconducteurs Jonction pn Puits quantiques Molécule organique de colorant dans une matrice solide Boîtes quantiques Bande de conduction nm Boîtes InAs/GaAs Cliché G. Patriarche (CNRS-LPN) Aborption/Emission (un. arb.) Aborption Emission Bande de valence InP InAsP nm InP Energi e x,y, z Longueur d onde (nm)

6 Quelle cavité? P. 5 Réflexion interne totale Effets de guidage Propagation dans un milieu périodique Interférences θ c o Miroirs de Bragg (DBR) o Cristaux photoniques

7 Quelle cavité? P. 6 Micropillier Microdisques Cristaux photoniques sur membrane 5 µm Interférences le long du pilier Effets de guidage dans le plan Effets de guidage Interférences dans le plan de la membrane Effet de guidage dans la direction perpendiculaire

8 Des nanolasers grâce à la nanostructuration P. 7 Phys. Rev. Lett. 98, (2007) Univ Würzburg... Phys. Rev. Lett. 96, (2006) Appl. Phys. Lett (2007) Opt. Lett. 35, 1154 (2010) UCSB, Univ. Stanford, Caltech, Univ. Tokyo, Univ. Yokohama, CNRS-LPN...

9 Quelle cavité? P. 8 Stratégie de confinement de la lumière dans de tout petit volume Les plasmons de surface Electrons déplacés Electrons déplacés Ions Ions Plasmon : quantum d énergie de l oscillation électronique

10 Quelle cavité? P. 9 Stratégie de confinement de la lumière dans de tout petit volume Les plasmons de surface Champ E D<<λ aux faibles longueurs d onde SPASER : Surface Plasmons Amplification by Stimulated Emission of Radiation Th.2003 : David Bergman (Univ. Tel-Aviv) & Mark Stockman (Univ. Georgie)

11 Des nanolasers grâce aux plasmons P. 10 Nature 461, 604 (2009) Nature 460, 1110 (2009) M. Noginov, Univ. Norfolk Nature 461, 629 (2009) X. Zhang, Berkeley

12 Des nanolasers grâce aux plasmons Univ; Eindhoven / Univ. Arizona P. 11 Optics Express 17, (2009) Nature Photonics, to be published (2010) Y. Fainman, Univ. San Diego

13 Des effets de taille : vers une nouvelle physique? P. 12 Quelle physique gouverne ces lasers miniatures? LMJ Lasers à gaz (JDSU) Diodes Lasers Peu de modes optiques et peu de dipôles émetteurs

14 Définitions du seuil laser P. 13 Définition classique Gain = pertes Intensité émise Emission spontanée Emission stimulée Intensité normalisée d excitation Intensité émise <n> Intensité normalisée d excitation

15 Définitions du seuil laser Facteur β de couplage de l émission spontanée au mode laser P. 14 Autres modes Mode laser β = Emission spontanée dans le mode laser Emission spontanée totale Le passage du seuil s effectue sur une plage de puissance proportionnelle à β 1/2. Dans les lasers conventionnels, β ~10-5 et les trois définitions du seuil coïncident.

16 Définitions du seuil laser Définition classique P. 15 β=1 Intensité émise β=10-1 β=10-3 β= Intensité normalisée d excitation C. Gies et al, Phys. Rev. A 75, (2007)

17 Définition classique Définitions du seuil laser P. 16 Nature 461, 629 (2009) Nature Photonics, to be published

18 Définition classique Définitions du seuil laser P. 17 Phys. Rev. Lett. 98, (2007)

19 P. 18 Intensité émise Définition classique Gain = pertes Emission spontanée Emission stimulée Intensité normalisée d excitation <n> Définitions du seuil laser g (2) (0) Définition statistique Cohérence de second ordre g (2) (0) Intensité émise Intensité normalisée d excitation Intensité normalisée d excitation

20 Caractéristique de la cavité laser P. 19 Cavités L11 L7 L3 Y.S. Choi et al, Appl. Phys. Lett (2007)

21 Définitions du seuil laser P. 20 Intensité émise Définition classique Gain = pertes Emission spontanée Emission stimulée Intensité normalisée d excitation <n> Définition quantique Nombre de photons ds le mode laser <n>= Intensité normalisée d excitation g (2) (0) Définition statistique Cohérence de second ordre g (2) (0) Intensité émise Intensité normalisée d excitation Intensité normalisée d excitation

22 Caractéristique de la cavité laser P. 21 Seuil quantique Nombre de photons dans la cavité en fonction de la puissance d excitation <n> Puissance d excitation normalisée P exc /P th

23 Caractéristique de la cavité laser P. 22 Comparaison entre le seuil statistique et quantique Lorsque <n>=1, g (2) (0)>1! g (2) (0) <n> Puissance d excitation normalisée P exc /P th

24 Conclusion et perspectives P. 23 Passage du seuil? Etat cohérent? Mécanismes d établissement? Dynamique des lasers à fort β? Bande passante de modulation directe Bruit d intensité? Pompage électrique Intégration Quelles applications possibles?

25 ... de votre attention &... Merci! P. 24 Grégoire Beaudoin Alexios Beveratos Rémy Braive David Elvira Richard Hostein Luc Le Gratiet Isabelle Sagnes