Résumé
Dans le domaine de la nano-photonique, les matériaux semiconducteurs nitrures (GaN, AlN) présentent un intérêt grandissant en raison de leurs spécificités, et de leur complémentarité avec les filières déjà établies. Ces matériaux présentent en effet une plage de transparence large, du moyen infra-rouge à l’ultra-violet ; ils présentent aussi des susceptibilités non-linéaires d’ordre 2 et 3 intéressantes ; des émetteurs efficaces jusqu’à température ambiante peuvent être intégrés dans les couches actives. Enfin, la filière nitrure de l’industrie des semiconducteurs se développe actuellement très rapidement.Nous avons développé au cours des dernières années plusieurs facettes exploitant ces avantages de la nano-photonique GaN. La maîtrise des procédés spécifique à GaN/AlN a permis de réaliser des micro-résonateurs de haut facteur de qualité, atteignant dans l’ultra-violet Q=7000 dans des microdisques [1] et Q=4400 dans des cavités à cristaux photoniques membranaires [2], et Q=34000 dans l’infra-rouge [3]. Ces résonateurs sont désormais intégrés dans des circuits photoniques complexes [3]. Ces structures sont de plus réalisées à partir de couches GaN/AlN sur substrat de silicium, de faible coût, ce qui ouvre des perspectives riches de couplage avec la photonique silicium. Nous présentons ici deux démonstrations récentes et originales. D’une part, nous avons exploité le confinement de la lumière dans une cavité photonique membranaire pour exalter la génération de seconde harmonique (SHG). La structure est constituée d’un guide d’accès membranaire GaN/AlN de 345nm d’épaisseur, se terminant de manière effilée pour optimiser le couplage de la lumière via une fibre lentillée. Un cristal photonique est inséré au centre du guide d’onde, avec un mode de cavité à 1577nm (Q=25000). Lorsque le laser continu d’injection est résonant avec ce mode, une émission de seconde harmonique est observée depuis la surface par un objectif de microscope couplé à un capteur CCD (figure 1). Il est intéressant d’observer que cette image possède une résolution comparable à la distance entre trous du cristal photonique. En particulier, la forme en X de l’image de second harmonique a permis d’identifier le processus non-linéaire d’ordre 2 le plus efficace pour générer la SHG, par comparaison avec des simulations FDTD. La perspective de ce travail est d’étendre vers le bleu/l’UV la plage spectrale de SHG, et de mieux profiter de la géométrie membranaire pour récolter la SHG.D’autre part, nous avons réalisé un laser à microdisques fonctionnant sous pompage optique impulsionnel dans une plage spectrale jusqu’ici inexplorée pour des micro-résonateurs : il émet à 275nm, dans l’UV-C, grâce à une couche active à base de puits quantiques GaN/AlN de 2.8 monocouches d’épaisseur nominale sur substrat silicium (figure 2). Seules des couches actives beaucoup plus complexes avaient à ce jour permis d’atteindre une émission laser à ces longueurs d’ondes dans des lasers-rubans ; celles-ci étaient de plus incompatibles avec une intégration en circuit photonique ou en microlaser. Le choix de puits quantiques sans alliages ternaires permet ici d’atteindre une bonne efficacité quantique à 300K, malgré une forte densité de dislocations (7 1010 cm-2). Le facteur beta de ce microlaser a été estimé à 3,5.10-4, toujours à 300K, ce qui est dans la plage basse des valeurs atteintes pour des microlasers émettant dans l’infra-rouge.