Charles University in Prague Universite Louis Pasteur Strasbourg I Faculty of Mathematics and Physics IPCMS GONLO Strasbourg

Charles University

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Charles University in Prague Universite Louis Pasteur - Strasbourg I Faculty of Mathematics and Physics IPCMS/GONLO Strasbourg Czech Republic France These presentee pour obtenir le grade de Docteur de l'Universite Louis Pasteur (Universite Strasbourg I) Discipline: Optique Quantique et Optoelectronique par RNDr. Katerˇina Dohnalova Study of optical amplification in silicon based nanostructures Soutenue publiquement le 18 Septembre 2007 a Prague Membres du jury: Directeur de these: Bernd Honerlage Prof. Physique Codirecteur de these: Ivan Pelant Prof. Physique Rapporteur Interne: Jean-Jacques Grob DR,CNRS,HDR Physique Rapporteur Externe: Jiˇrı Cˇtyroky Prof. Physique Rapporteur Externe: Jean Oberle Prof. Physique Examinateur: Sˇtefan Viˇsnˇovsky Prof. Physique Examinateur: Jiˇrı Oswald Ing.,CSc. Physique Examinateur: Pierre Gilliot CR,CNRS,HDR Physique

• optique quantique


• spot d'excitation deplace


• dfl cavity


• shifting excitation


• gain optique


• nano-cristaux de silicium


• physique examinateur


• gain coefficient

Sujets

• Pasteur
• Valenta
• University
• Optique quantique

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 septembre 2007
• Nombre de lectures: 38
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Charles University in Prague Universite Louis Pasteur - Strasbourg I
Faculty of Mathematics and Physics IPCMS/GONLO Strasbourg
Czech Republic France
These
presentee pour obtenir le grade de
Docteur de l’Universite Louis Pasteur (Universite Strasbourg I)
Discipline: Optique Quantique et Optoelectronique
par
RNDr. Katerina Dohnalov a
Study of optical ampli cation in silicon based
nanostructures
Soutenue publiquement le 18 Septembre 2007 a Prague
Membres du jury:
Directeur de these: Bernd H onerlage Prof. Physique
Codirecteur de these: Ivan Pelant Prof. Physique
Rapporteur Interne: Jean-Jacques Grob DR,CNRS,HDR Physique
Rapporteur Externe: Jir Ctyroky Prof. Physique
Rapporteur Jean Oberle Prof. Physique
Examinateur: Stefan Visno vsky Prof. Physique Jir Oswald Ing.,CSc. Physique
Examinateur: Pierre Gilliot CR,CNRS,HDR PhysiqueCharles University in Prague Universite Louis Pasteur - Strasbourg I
Faculty of Mathematics and Physics IPCMS/GONLO Strasbourg
Czech Republic France
Doctoral Thesis
"these en cotutelle"
Study of optical ampli cation in silicon based
nanostructures
by
RNDr. Katerina Dohnalov a
Prague & Strasbourg, September 2007Study of optical ampli cation in silicon based nanostructures
Supervisors:
Prof. RNDr. Ivan Pelant, DrSc.
Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Republic, Prague, Czech Republic
Prof. Dr. Bernd H onerlage
Institute de Physique et Chimie des Materiaux de Strasbourg, Universite Louis Pasteur,
Strasbourg, France
Advisors:
Prof. RNDr. Petr Maly, DrSc.
Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Prague, Czech Republic
Doc. RNDr. Jan Valenta, Ph.D.
Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Prague, Czech Republic
RNDr. Katerina Herynkova, Ph.D.
Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Republic, Prague, Czech Republic
Referees:
Prof. Dr. Jean Oberle
Departements de Physique, Universite Bordeaux 1, Talence, France
Prof. Ing. Jir Ctyroky DrSc.
Institute of Photonics and Electronics, Academy of Sciences of the Czech Republic, Prague,
Czech Republic
Dr. Jean-Jacques Grob
Institut d’Electronique du Solide et des Systemes, Strasbourg, FranceAbstract
The aim of this work was to prepare light-emitting structure on the basis of silicon nanocrys-
tals (Si-ncs) embedded in a silicon dioxide (SiO ) based matrix of a su cien tly good optical2
quality and stable emission properties, which exhibits positive optical gain and can be used
as an active material in a laser cavity. The technique of sample preparation is based on a
combination of the modi ed electrochemical etching of silicon wafers and the SiO based2
sol-gel processing. This method enables us to achieve relatively small oxidized Si-ncs (2-
3 nm), embedded at virtually arbitrary volume fraction in a SiO based matrix, which is2
believed to be advantageous for easier stimulated emission (StE) onset observation. The
optical gain coe cien t was measured using the standard "Variable Stripe Length" (VSL)
method, the application of which, however, is limited for low gain. Therefore we imple-
mented a supplemental "Shifting Excitation Spot" (SES) method, enabling us to determine
the optical gain coe cien t even of such a small magnitude that will not be recognized by the
VSL method itself. We observed a positive net gain coe cien t originating from the StE in
di eren t Si-ncs/SiO samples under di eren t excitation and detection conditions. To pre-2
pare a laser system, a positive net gain observation is essential as well as a positive optical
feedback. Using an external cavity as a resonator requires a high optical quality sample.
This is, however, hardly achievable under the high Si-ncs volume fraction requirements for
the StE onset. Because of that we decided to build an optically induced "Distributed Feed-
back Laser" (DFL) system, where the cavity is distributed over the whole sample volume
and the cavity grating constant (166 nm) is lower than expected mean homogeneity length
in our sample (0.5-1.0 m). Therefore, a positive but low e ect on the emission of Si-ncs
is expected. Moreover, such type of DFL cavity is easily tuneable. The functionality of the
DFL setup was tested using reference organic dye solutions in methanol, where a tuneable
lasing action was successfully achieved. Similar tuneable cavity modes were also observed
in di eren t Si-ncs/SiO samples, however, of broader widths and less intense, compared to2
the organic dyes, which is mainly given by their lower optical quality. To understand and
describe the mode selection in such a material, we developed a simple theoretical model,
enabling us to determine the selected mode shape with respect to the sample homogeneity
length and the character of the inhomogeneities. We proved the active feedback of the
DFL cavity on the emission of our Si-ncs/SiO samples and proposed some further steps2
for future sample improvement.Resume
Le but principal de ce travaille fut de preparer un materiau photo-luminescent a base de
nano-cristaux de Silicium dans une matrice de silice (SiO ) de qualite optique su san te2
pour permettre l’observation d’un gain optique. Des nano-cristaux de silicium peu oxydes
de tailles comprises entre 2 et 3 nm ont ete obtenus par abrasion electrochimique de wafer
de silicium. Les nano-cristaux avec une concentration variable permettant l’observation de
leur emission stimulee sont dilues dans une matrice de silice obtenue par procede sol-gel.
Un dispositif optique dit "de zone a longueur variable" ("Variable Stripe Length" VSL) a
ete utilise pour la mesure du gain optique des nano-cristaux. Cependant cette methode
seule reste peu able pour les materiaux a faible gain optiques tels que les nano-cristaux
de silicium. Pour cette raison nous avons combine la methode VSL avec celle du "spot
d’excitation deplace " ("Shifting Excitation Spot" SES). Ceci nous permet d’observer des
gains faibles qui n’auraient pas pu ^etre atteint avec la methode VSL seule. Nos resultats
montrent clairement l’apparition d’un gain sous di erentes conditions d’excitations. Pour
preparer un laser il est necessaire d’avoir un materiau, montrant du gain optique, mais il faut
aussi appliquer une contra reaction optique su san te. L’utilisation d’une cavite optique ex-
terne necessite des echantillons de grande qualite optique. Ceci n’est pas compatible avec un
gain eleve qui demande une concentration tres forte en nano-cristaux de silicium. Pour cela
nous avons construit un laser a "cavite a contra reaction distribuee" ("Distributed Feedback
Laser" DFL). Dans ce type de cavite, la contra reaction est distribuee sur l’ensemble de
l’echantillon. Le pas du reseau (166 nm) est inferieure aux variations moyennes de densite
(0.5-1.0 m) et peut ^etre facilement modi e. Nous esperons ainsi obtenir un gain faible
mais su san t pour ^etre observable. La cavite DFL est tout d’abord calibree a l’aide de
di erents colorants dilues dans une solution de methanol ou nous avons observes des modes
laser biens de nis. Des modes d’emissions laser similaires (des pics plus larges et moins
intenses que dans le cas des colorants) ont ete obtenus dans nos echantillons Si-ncs/SiO .2
Ceci est principalement du^ a la moindre qualit optique de nos echantillons. Pour compren-
dre les precedentes observations, nous avons developpe un modele theorique simple nous
permettant de retrouver et d’expliquer les modes experimentaux en jouant sur la variation
de densite et les caracteristiques des Si-ncs. L’e et de la contra reaction de la cavite DFL
sur nos echantillons est clairement identi e par ce modele. Ceci nous permet d’entrevoir de
nouvelles perspectives pour la caracterisation optique et l’amelioration de nos echantillons.Abstrakt
Tato disertacn pr ace je venov ana studiu vzorku na b azi krem k ovyc h nanokrystalu (Si-
ncs) v SiO matrici. C lem je vyuzit techto vzorku jako aktivn ho prostred v laserovem2
rezon atoru, a proto byly pripravov any s durazem na optickou kvalitu, stabiln opticke vlast-
nosti a kladny opticky zisk. Vzorky jsou pripravov any metodou kombinuj c elektrochemicke
lept an krystalickeho krem ku a pr pra vu SiO matrice metodou sol-gel. Tato metoda2
umoznuje pripravit vzorky obsahuj c libovolne mnozstv malyc h Si-ncs (2-3 nm), coz je
povazov ano za vyho dne pro snazs pozorov an stimulovane emise. Opticky zisk jsme stu-
dovali metodou "Variable Stripe Length" (VSL), jejz presnost je ovsem v pr pad e nizs c h
hodnot optickeho zisku znacne omezen a. Z tohoto duvodu jsme navrhli metodu VSL rozsrit
o tzv. "Shifting Excitation Spot" (SES) metodu, kter a n am umoznuje merit i nizs hod-
noty optickeho zisku. Kombinac techto dvou metod jsme pozorovali kladny opticky zisk v
ruznyc h typech nasich vzorku za ruznyc h experiment aln c h podm nek. Pro pr pra vu laseru
je ovsem vedle kladneho optickeho zisku nutn a take pr tomnost kladne zpetne vazby. Pouzit
extern ho rezon atoru vyzaduje velmi vysokou optickou kvalitu aktivn ho materi alu, tezko
dosazitelnou v pr pad e nasich vzorku, kde je poreba pro dosazen optickeho zisku splnit
soucasne take podm nku vysoke hustoty Si-ncs v SiO matrici