Pompage optique dans des nanostructures basées sur le silicium

Le silicium est un matériau sur lequel la quasi-totalité de l’électronique actuelle est basée mais dont les propiétés optiques sont relativement médiocres. La formation de nanostructures de silicium sous forme de réseaux poreux ou de nanocristaux permet d’obtenir des propriétés d’émission dans le visible particulièrement intéressantes pour leurs applications à l’optoélectronique. Nous nous intéressons aux processus d’amplification optique dans des nanocristaux de silicium, en mesurant en particulier leur gain, avec pour objectif d’obtenir un matériau efficace pour la fabrication de sources lasers intégrées à l’électronique  .

Les nanostructures à base de silicium présentent un intérêt important en optoélectronique : leur luminescence se situe dans le visible alors que le gap du silicium massif est indirect et situé dans l’infrarouge. Dans la suite des études que nous avions consacrées au silicium poreux, nous nous étions intéressés à des nanocristaux de silicium incorporés dans une matrice sol-gel de SiO, ce qui semble une approche prometteuse pour la préparation de nanocristaux de silicium stables et bien définis. Dans le cadre d’une collaboration avec l’Académie des sciences tchèque, nous avons étudié plus récemment un matériau mixte consistant en des inclusions, dans une matrice sol-gel de SiO, de grains de silicium poreux (eux-mêmes constitués de nanocristaux de silicium). La dispersion dans une matrice transparente présente l’avantage de renforcer les propriétés de luminescence et la stabilité du silicium poreux.

Nous nous sommes intéressés à l’émission et à l’amplification de lumière par ce matériau Si-ncs/SiO2 sous excitation femtosecond en utilisant la méthode dite « variable stripe length » (VSL). Nous avons pu observer un gain allant jusqu’à 25 cm-1 pour une excitation de 1,1 W/cm2. Ceci confirme que l’intensité des impulsions femtosecondes requises pour obtenir du gain est relativement basse, sans doute à cause de la réduction des phénomènes thermiques et du taux élevé d’injection des porteurs. Le spectre d’émission est large (130 nm), centré à 650 nm, légèrement décalé vers le bleu si on le compare aux données traditionnellement reportées pour ce type de matériau. Nous avons poursuivi ces études en mettant l’accent sur l’amélioration des techniques utilisées pour la mesure du gain : la VSL peut être faussée par la géométrie de l’échantillon ou du spot d’excitation qui rendent le modèle à une dimension inadaptée. L’amélioration de la qualité optique des surfaces de l’échantillon comme la passivation de la surface des cristallites semblent être deux points cruciaux pour l’obtention d’émission stimulée plus forte.

Basé sur l’observation d’une valeur d’amplification optique nette positive – condition nécessaire pour pouvoir construire un laser – une contre-réaction optique a été mise au point et étudiée avec ces échantillons. Pour des raisons pratiques (domaine spectral, qualité optique, versatilité etc.), nous avons utilisé la possibilité d’induire par des effets optiques non linéaires une contre-réaction. Nous avons donc mis en place une cavité optique à contre-réaction distribuée (Distributed Feedback Laser DFL) dans la configuration de Bor en excitant avec un laser à excimères XeCl, émettant à 308 nm.

Le principe d’un DFL est basé sur interférence de deux faisceaux lumineux intenses qui excitent un matériau optiquement actif. La contre-réaction est alors formée par une modulation périodique de l’index de réfraction et du coefficient de d’absorption/amplification de l’échantillon via un effet Kerr optique dû à la forte illumination UV qui est périodique dans l’espace. L’accordabilité des modes de la cavité sélectionnés est assurée par l’ajustement de l’angle d’incidence des deux faisceaux, ce qui changent le pas de l’interfrange. Dans un tel système la contre-réaction est dû à la rétro diffusion continu de la lumière cohérente par des modifications transitoires dans le matériau. Cette cohérence dépend de la longueur de cohérence de la source excitatrice ainsi que de la longueur moyenne caractéristique de l’homogénéité du matériau. Dans le cas où le matériau posséde que une homogénéité sur courte distance, la rétro diffusion est seulement partiellement cohérente et les modes sélectionnés sont spectralement larges. Le fonctionnement du montage DFL a été testé en utilisant comme référence des solutions de colorants organiques dans du méthanol. De manière similaire, des modes de cavité accordables ont été observés dans plusieurs échantillons de Si-ncs/SiO2. Ces modes étaient plus larges et moins intense que dans les colorants organiques dû à la plus faible qualité optique de nos échantillons.