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The aim of the thesis is the fabrication and optical characterization of three-dimensional organic microlasers based on organic dyes and luminescent erbium/ytterbium nanoparticles.At the beginning, we considered submicron polymer structures with high aspect ratio, as well as the phenomenon of redistribution of nanoparticles in the volume of the composite during the exposure by a periodic light field pattern.The main part of the work is devoted to obtaining three-dimensional polymer microlasers by UV-lithography. Comparison of the lasing threshold for microcavities obtained by different methods was performed. Periodic orbits in cuboid microlasers with square cross-section were identified. Analysis of possible periodic orbits in microlasers Fabry-Perot showed that the shape of the orbit depends on the dye, the type of substrate and the size of the microlaser (width, height).The last part of the work contains a study of low-temperature synthesis of luminescent nanoparticles of erbium and ytterbium oxides in a anhydrous medium, and polymer composites based on them. Three dimensional organic microlasers doped by these luminescent nanoparticles were obtained and investigated.; L'objectif de la thèse est la fabrication et caractérisation de microlasers 3D à base de polymères dopés par des colorants organiques et des nanoparticules d'erbium et Ytterbium. Au début, nous avons étudié des structures polymères avec de très bons facteurs d'aspect, ainsi que le déplacement de nanoparticules lors de l'exposition à un éclairement périodique. La réalisation majeure de cette thèse est l'obtention de microlasers 3D par lithographie UV. Ensuite nous avons comparé les seuils lasers de ces structures pour différentes méthodes de fabrication. Dans des micro-cubes, nous avons identifié des orbites périodiques planes en forme de carré. L'analyse des orbites périodiques dans des microlasers Fabry-Perot 3D a montré que leur forme dépend du colorant, de la nature du substrat et de la taille de la structure (largeur et épaisseur).La dernière partie de ce travail consiste en la synthèse de nanoparticules d'oxyde d'erbium et ytterbium à basse température et en milieu anhydre. Ces nano-particules ont ensuite été introduites dans des composites à base de polymères qui ont donné lieu à la fabrication de micro-lasers 3D et à leur caractérisation.

In article 1500066, U. Bog, M. Hirtz, and co‐workers demonstrate on‐chip biomolecular sensing using whispering‐gallery‐mode microgoblet lasers. Biomolecular detection is usually affected by signal disturbances, induced by refractive index and temperature fluctuations inside the liquid analyte. The densely packed laser pairs enable mutual and localized filtering of such signal disturbances. The sensor functionalization is performed by aligned microcontact stamping, resulting in a highly localized, cross‐contamination‐free treatment of the individual microlasers.

Microgoblet laser pairs are presented for cross-referenced on-chip biomolecular sensing. Parallel readout of the micro­lasers facilitates effective mutual filtering of highly localized refractive index and temperature fluctuations in the analyte. Cross-referenced detection of two different types of proteins and complete chemical transducer reconfiguration is demonstrated. Selective surface functionalization of the individual lasers with high spatial accuracy is achieved by aligned microcontact stamping.

The aim of the thesis is the fabrication and optical characterization of three-dimensional organic microlasers based on organic dyes and luminescent erbium/ytterbium nanoparticles.At the beginning, we considered submicron polymer structures with high aspect ratio, as well as the phenomenon of redistribution of nanoparticles in the volume of the composite during the exposure by a periodic light field pattern.The main part of the work is devoted to obtaining three-dimensional polymer microlasers by UV-lithography. Comparison of the lasing threshold for microcavities obtained by different methods was performed. Periodic orbits in cuboid microlasers with square cross-section were identified. Analysis of possible periodic orbits in microlasers Fabry-Perot showed that the shape of the orbit depends on the dye, the type of substrate and the size of the microlaser (width, height).The last part of the work contains a study of low-temperature synthesis of luminescent nanoparticles of erbium and ytterbium oxides in a anhydrous medium, and polymer composites based on them. Three dimensional organic microlasers doped by these luminescent nanoparticles were obtained and investigated., L'objectif de la thèse est la fabrication et caractérisation de microlasers 3D à base de polymères dopés par des colorants organiques et des nanoparticules d'erbium et Ytterbium. Au début, nous avons étudié des structures polymères avec de très bons facteurs d'aspect, ainsi que le déplacement de nanoparticules lors de l'exposition à un éclairement périodique. La réalisation majeure de cette thèse est l'obtention de microlasers 3D par lithographie UV. Ensuite nous avons comparé les seuils lasers de ces structures pour différentes méthodes de fabrication. Dans des micro-cubes, nous avons identifié des orbites périodiques planes en forme de carré. L'analyse des orbites périodiques dans des microlasers Fabry-Perot 3D a montré que leur forme dépend du colorant, de la nature du substrat et de la taille de la structure (largeur et épaisseur).La dernière partie de ce travail consiste en la synthèse de nanoparticules d'oxyde d'erbium et ytterbium à basse température et en milieu anhydre. Ces nano-particules ont ensuite été introduites dans des composites à base de polymères qui ont donné lieu à la fabrication de micro-lasers 3D et à leur caractérisation.

This work demonstrates the fabrication and optical characterization of polymeric whispering gallery mode lasers. For the realization of low threshold quantum dot- and organic dye lasers different integration techniques are presented. To further improve the polymer resonators for robust device applications, room temperature resonance mode control and tuning of the lasing modes, on scales compatible with on-chip integration, is introduced.

A novel approach is presented to realize compact III–V-on-silicon microlasers. The concept relies on resonant mirrors in which the close interaction between a III–V waveguide and an underlying silicon cavity provides high narrow-band reflection back into the III–V waveguide. Combining two such mirrors with a III–V waveguide in between leads to a resonant mirror laser. The properties of the resonant mirror are studied for a variety of device parameters. Using this information, the properties of the resulting laser, such as threshold power and side-mode suppression ratio, are investigated. These calculations correspond well to proof-of-concept experimental results.

nombre de pages 54; International audience; Confinement of light into small volumes has become an essential requirement for photonic devices; examples of this trend are provided by optical fibers, integrated optical circuits, semiconductor lasers, and photonic crystals. Optical dielectric resonators supporting Whispering Gallery Modes (WGMs) represent another class of cavity devices with exceptional properties, like extremely small mode volume, very high power density, and very narrow spectral linewidth. WGM are now known since more than 100 years, after the papers published by John William Strutt (LordRayleigh), but their importance as unique tools to study nonlinear optical phenomena or quantum electrodynamics, and for application to very low- threshold microlasers as well as very sensitive microsensors, has been recognized only in recent years. This paper presents a review of the field of WGM resonators, which exist in several geometrical structures like cylindrical optical fibers, microspheres, microfiber coils, microdisks, microtoroids, photonic crystal cavities, etc. up to the most exotic structures, such as bottle and bubble microresonators. For the sake of simplicity, the fundaments of WGM propagation and most of the applications will be described only with reference to the most common structure, i.e. microspherical resonators.

Alkaline earth sulfide phosphors doped with Eu 2 + or Ce 3 + are good candidates for wavelength conversion in LEDs for general lighting applications. A very broad emission spectrum can be obtained by preparing SrS:Eu–SrS:Ce core–shell particles. These microcrystals are rectangular cuboids and can also be efficiently excited with electrons in a scanning electron microscope. The broad emission spectrum, ranging from 450 nm to 650 nm, consists of the combined emission of Ce 3 + and Eu 2 + centers. Using cathodoluminescence (CL) in a scanning electron microscope, evaluation of the emission characteristics of individual cuboids was possible. Sharp peaks in the CL-spectra of individual particles could be observed and described as being resonance modes. The spectral positions and the line widths of resonance modes in these core–shell microcrystals are predicted by an extension of the plane wave model, taking into account the dispersion of the refractive index and the existence of open orbits.

3D control of light can be realized, at the wavelength scale, in photonic integrated circuits. The building block used in this study is the photonic crystal slab, which enables an in-plane as well as out-of-plane control of light, thanks to its peculiar dispersion properties. Especially at the gamma point of the dispersion curve, slow Bloch modes can be used to realize vertical emitting devices. In this study, we focus on photonic crystals based on micropillar lattices, as an alternative to classical hole lattices. Besides, micropillar lattices can be seen as a new platform for sensing applications and microfluidic circuits. Indeed, fluids can flow through the micropillar. First, we will describe some devices which operate at Gamma point. We will show that, for the first time, the use of highly resonant Bloch modes allow the experimental demonstration of vertical emitting microlasers. Weakly resonant Bloch modes can be used to realize photonic crystal mirrors and Fabry-Perot microcavities constituted only by photonic crystal mirrors. High quality factors (>10000) obtained in such microcavities allow the fabrication of a new type of VCSEL. In a second part, we will focus on the communication between the photonic crystal devices and the surroundings. First, we will explain how the far field pattern can be optimized. At last, we will study the coupling between a photonic crystal structure and a silicon strip waveguide. We show that simulation results give high coupling efficiency (>90%). The samples, fabricated at the LETI-CEA (Grenoble), are still under process., Le contrôle 3D de la lumière est réalisé, à l'échelle de la longueur d'onde, dans des circuits photoniques intégrés. La brique élémentaire choisie dans cette étude est le cristal photonique (CP) membranaire qui, par ses propriétés de dispersion, permet un contrôle de la lumière à la fois dans le plan (optique guidée) et hors du plan (dispositifs adressables par la surface). En particulier, l'exploitation de modes de Bloch situés au point Gamma de la courbe de dispersion (k//=0) permet l'émission de la lumière dans la direction verticale. Dans cette étude, nous nous sommes focalisés sur des cristaux photoniques à réseaux de micropiliers, comme alternative aux réseaux de trous, mais également en envisageant la possibilité d'intégrer ces structures dans des systèmes microfluidiques, les fluides ayant la capacité de circuler au travers des réseaux de piliers. Nous décrirons dans une première partie, des dispositifs à CP à émission par la surface. Nous démontrerons, pour la première fois, que l'utilisation de modes fortement résonants permet de réaliser des microlasers à réseaux de piliers en InP. Les modes faiblement résonants peuvent être utilisés pour la réalisation de miroirs à CP et de microcavités Fabry-Pérot constituées uniquement de tels miroirs. Les facteurs de qualité obtenus (>10000) rendent possible la fabrication de nouveaux types de VCSEL. Dans une seconde partie, nous nous intéresserons à la problématique de l'intégration de ces dispositifs dans un circuit photonique 3D. Tout d'abord, nous expliquerons comment il est possible d'optimisation le diagramme de rayonnement des composants. Ensuite, nous étudierons le couplage de dispositifs à cristaux photoniques avec un ou deux guides d'onde ruban en silicium. De fortes efficacités de couplage sont obtenues en simulation FDTD 3D (95%). Ces dispositifs en cours de fabrication en collaboration avec le LETI-CEA de Grenoble permettront de démontrer expérimentalement ce couplage.

This Licentiate presents the main results of theoretical study of light propagation in photonic structures, namely lasing disk microcavities and photonic crystals. In the first two papers (Paper I and Paper II) we present the developed novel scattering matrix technique dedicated to calculation of resonant states in 2D disk microcavities with the imperfect surface or/and inhomogeneous refractive index. The results demonstrate that the imperfect surface of a cavity has the strongest impact on the quality factor of lasing modes. The generalization of the scattering-matrix technique to the quantum-mecha- nical case has been made in Paper III. That generalization has allowed us to treat a realistic potential of quantum-corrals (which can be considered as nanoscale analogues of optical cavities) and to obtain a good agreement with experimental observations. Papers IV and V address the novel effective Green's function technique for studying propagation of light in photonic crystals. Using this technique we have analyzed characteristics of surface modes and proposed several novel surface-state-based devices for lasing/sensing, waveguiding and light feeding applications. Report code: LIU-TEK-LIC 2006:5

PUBLISHED, We have found cylindrical glass microtubes can be formed by vacuum assisted filtration using a micro-channel glass matrix followed by thermal treatment of the material. The microtubes are strongly luminescent and exhibit sharp whispering gallery modes. The ease of fabrication suggest that such photonic structures will find use as both microsensors and microlasers, The work reported in this paper was supported in part under the CRANN CSET Project PR03 Photonic Molecules and in part under the grant EI.

This work takes place within the general framework of the study of the oscillators coupling. Two aspects are approached which respectively concern the coupling by proximity of two microchip lasers within a same wafer and the interactions between polarisation modes in quasi isotropic microchip YAG lasers. The experimental study of the two coupled continuous lasers reveals three different dynamic regimes which appear successively as the frequency detuning of the lasers cavities decreases: i) almost independent lasers, ii) periodic and chaotic instabilities and iii) phase locking.Contrary to most previous studies, the model developed to account for laser coupling introduces a complex coefficient linking the field amplitudes. It remarkably reproduces all the experimental results. This leads us to propose a reliable measurement method of this coupling coefficient. A detailed study of the origins of the coupling, i.e. the overlap between laser modes and the non uniform profile of the gain and of the refraction index, allows to derive an analytical expression of the coupling coefficient which reproduces well the evolution of its real and imaginary parts versus the distance between lasers. The polarisation dynamics of microchip YAG lasers, and in particular, of the Nd3+,Cr4+:YAG lasers, brings into play the stress-induced birefringence, the gain anisotropy induced by a linearly polarised pump beam and the anisotropy of the saturable absorber. According to the relative importance of these various anisotropies, the laser emits in one and/or the other of the birefringence eigenmodes or can have, in some cases detailed here, a linear polarisation perpendicular to one of the absorber crystal axes. The experimental observations could be reproduced analytically and/or numerically using a model which accounts for the temporal evolution of the field components along the birefringence eigenaxes as well as that of their relative phase. The basis of this model are discussed.; Ce travail s'inscrit dans le cadre général de l'étude des mécanismes de couplage entre oscillateurs. Deux aspects sont abordés qui concernent respectivement le couplage par proximité de deux microlasers au sein d'une même galette et les interactions entre modes de polarisation dans les microlasers YAG présentant de faibles anisotropies.L'étude expérimentale du couplage de deux lasers continus a mis en évidence trois régimes dynamiques différents qui apparaissent successivement à mesure que les fréquences propres des cavités des lasers se rapprochent : i) lasers quasi indépendants, ii) instabilités périodiques et chaotiques et iii) verrouillage de phase des lasers.Le modèle développé pour rendre compte des caractéristiques du couplage introduit un coefficient de couplage complexe. Il reproduit de façon remarquable l'ensemble des résultats expérimentaux et de plus a permis de proposer une méthode fiable de mesure du coefficient de couplage. Une étude détaillée du recouvrement entre les modes des lasers et le profil non uniforme du gain et de l'indice de réfraction a permis d'établir une expression analytique reproduisant correctement l'évolution des parties réelle et imaginaire du coefficient de couplage en fonction de la distance entre lasers.La dynamique de polarisation des microlasers YAG, et en particulier des lasers Nd3+,Cr4+:YAG, met en jeu la biréfringence liée aux contraintes locales, l'anisotropie de gain induite par un faisceau de pompe polarisé linéairement et de celle de l'absorbant saturable. Suivant l'importance relative de ces différentes anisotropies, le laser peut émettre dans l'un et/ou l'autre des modes propres de la biréfringence ou avoir une polarisation orientée de façon privilégiée suivant l'un des axes cristallins de l'absorbant. Les observations expérimentales ont pu être reproduites analytiquement et/ou numériquement à l'aide d'un modèle qui rend compte de l'évolution temporelle des composantes du champ selon les axes propres de la biréfringence ainsi que celle de leur phase relative. L'anisotropie du gain est décrite par deux coefficients d'anisotropie respectivement relatifs à la pompe et au laser. L'anisotropie de l'absorbant saturable est prise en compte grâce à l'introduction d'inversions de populations associées à chacun des axes cristallins.

This work takes place within the general framework of the study of the oscillators coupling. Two aspects are approached which respectively concern the coupling by proximity of two microchip lasers within a same wafer and the interactions between polarisation modes in quasi isotropic microchip YAG lasers. The experimental study of the two coupled continuous lasers reveals three different dynamic regimes which appear successively as the frequency detuning of the lasers cavities decreases: i) almost independent lasers, ii) periodic and chaotic instabilities and iii) phase locking.Contrary to most previous studies, the model developed to account for laser coupling introduces a complex coefficient linking the field amplitudes. It remarkably reproduces all the experimental results. This leads us to propose a reliable measurement method of this coupling coefficient. A detailed study of the origins of the coupling, i.e. the overlap between laser modes and the non uniform profile of the gain and of the refraction index, allows to derive an analytical expression of the coupling coefficient which reproduces well the evolution of its real and imaginary parts versus the distance between lasers. The polarisation dynamics of microchip YAG lasers, and in particular, of the Nd3+,Cr4+:YAG lasers, brings into play the stress-induced birefringence, the gain anisotropy induced by a linearly polarised pump beam and the anisotropy of the saturable absorber. According to the relative importance of these various anisotropies, the laser emits in one and/or the other of the birefringence eigenmodes or can have, in some cases detailed here, a linear polarisation perpendicular to one of the absorber crystal axes. The experimental observations could be reproduced analytically and/or numerically using a model which accounts for the temporal evolution of the field components along the birefringence eigenaxes as well as that of their relative phase. The basis of this model are discussed.; Ce travail s'inscrit dans le cadre général de l'étude des mécanismes de couplage entre oscillateurs. Deux aspects sont abordés qui concernent respectivement le couplage par proximité de deux microlasers au sein d'une même galette et les interactions entre modes de polarisation dans les microlasers YAG présentant de faibles anisotropies.L'étude expérimentale du couplage de deux lasers continus a mis en évidence trois régimes dynamiques différents qui apparaissent successivement à mesure que les fréquences propres des cavités des lasers se rapprochent : i) lasers quasi indépendants, ii) instabilités périodiques et chaotiques et iii) verrouillage de phase des lasers.Le modèle développé pour rendre compte des caractéristiques du couplage introduit un coefficient de couplage complexe. Il reproduit de façon remarquable l'ensemble des résultats expérimentaux et de plus a permis de proposer une méthode fiable de mesure du coefficient de couplage. Une étude détaillée du recouvrement entre les modes des lasers et le profil non uniforme du gain et de l'indice de réfraction a permis d'établir une expression analytique reproduisant correctement l'évolution des parties réelle et imaginaire du coefficient de couplage en fonction de la distance entre lasers.La dynamique de polarisation des microlasers YAG, et en particulier des lasers Nd3+,Cr4+:YAG, met en jeu la biréfringence liée aux contraintes locales, l'anisotropie de gain induite par un faisceau de pompe polarisé linéairement et de celle de l'absorbant saturable. Suivant l'importance relative de ces différentes anisotropies, le laser peut émettre dans l'un et/ou l'autre des modes propres de la biréfringence ou avoir une polarisation orientée de façon privilégiée suivant l'un des axes cristallins de l'absorbant. Les observations expérimentales ont pu être reproduites analytiquement et/ou numériquement à l'aide d'un modèle qui rend compte de l'évolution temporelle des composantes du champ selon les axes propres de la biréfringence ainsi que celle de leur phase relative. L'anisotropie du gain est décrite par deux coefficients d'anisotropie respectivement relatifs à la pompe et au laser. L'anisotropie de l'absorbant saturable est prise en compte grâce à l'introduction d'inversions de populations associées à chacun des axes cristallins.