Fabrication et caractérisation de cavités organiques à modes de galerie

Ce projet de maitrise, réalisé au sein du laboratoire de microphotonique, a pour objectif de combiner l'efficacité photoluminescente d'un matériau organique semi-conducteur avec la capacité de confinement des cavités à modes de galerie. L'application visée avec ce système résonateur-polymère est l'étude de l'interaction lumière-matière. Particulièrement, l'interaction forte entre un photon de cavité et un exciton crée dans le semi-conducteur afin d'être utilisé comme milieu pour la création d'un condensat de Bose-Einstein de polaritons. La réalisation de ce projet s'articule autour de deux approches, la première est le couplage de la photoluminescence d'un matériau organique semi-conducteur dans les modes de résonance d'une cavité en oxyde de silicium, et la deuxième approche est de développer un procédé de fabrication pour des cavités à modes de galerie avec le matériau organique intégré. Le couplage de la photoluminescence dans le résonateur se fait grâce à des microsphères recouvertes de matériau organique. Les pics de résonances obtenus dans le spectre d'émission du copolymère ont permis de confirmer l'interaction possible entre sa photoluminescence et les cavités optiques fabriquées au sein du laboratoire. Le développement d'un procédé de fabrication pour des résonateurs en forme de disque avec un matériau organique s'est heurté à la difficulté de ne pas altérer le semi-conducteur lors des étapes de photolithographie. La solution a été d'utiliser un polymère de structuration, transparent dans le spectre d'absorption et d'émission du matériau organique semi-conducteur, et qui le protège lors des étapes de développement et de gravure. Les cavités à modes de galerie fabriquées montrent un facteur de qualité pouvant atteindre 5x104, leur caractérisation en tant que cavités passives laisse prévoir une utilisation prochaine de ces cavités en mode actif pour autant que la détection en champ lointain soit assez précise pour focaliser l'objectif de récolte sur le bord des cavités organiques où l'émission a lieu.

Abstract

The aim of this master project is to combine the high quality factor of whispering gallery optical microcavities with the high photoluminescence efficiency of conjugated polymers. These polymer-cavity composite systems have a great potential for studying the interaction of light and matter in the strong coupling regime. In particular, this system would offer a great opportunity to create a Bose-Einstein condensate of polaritons, the quasi-particles made from a strong interaction between excitons and photons. Organic semiconductors, with their large delocalized excitons, coupled to good whispering gallery cavities with high quality factors and small volumes are an ideal system for this purpose. Two approaches toward this end were explored: in the first approach a pre-existing dielectric whispering gallery cavity was coated with a thin film of conjugated polymer, while in the second one the whispering gallery cavity was fabricated directly with the organic semi-conductor. For testing the first approach, a silica microsphere was dip-coated with copolymer, and the interaction between the whispering gallery modes in the microcavity and the copolymer was studied using photoluminescence spectroscopy. The well-defined resonances obtained at the emission wavelength of the organic material confirm the effective coupling between the photoluminescence and the modes of the cavity. In the second approach, we developed a process to fabricate microdisk cavities with the copolymer. The difficulty in this approach lies in the sensitivity of the organic semiconductor to the microfabrication process. It is critical to avoid dissolving or otherwise altering it during the photolithographic steps. For this purpose a protective polymer, parylene-C, is deposited on the top of the copolymer. This protective polymer was chosen to be transparent at the absorption and emission wavelengths of the copolymer and inert in the solvents used during the different steps of microfabrication. The development of this fabrication process allowed us to obtain a whispering gallery cavity with a quality factor of 5x104. These promising results suggest future uses of this cavity to explore the interactions between the polymer and the cavity modes. The adequate setup for the detection of edge-emitted photoluminescence in copolymer microdisks is in progress and will be available for the future characterisation of organic whispering gallery cavities. The development of this polymer-based whispering gallery cavities is the first step along the way toward demonstrating a polariton Bose-Einstein condensate.