Nouvelles sources lasers massivement accordables pour les applications télécom et les nouveaux capteurs

par Fethallah Taleb

Thèse de doctorat en Physique - Optoélectronique

Sous la direction de Alain Le Corre.

Soutenue le 26-05-2016

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Fonctions Optiques pour les Technologies de l'informatiON / FOTON (laboratoire) .


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur l'étude et la réalisation de lasers à cavité verticale accordable et émettant à 1,55 µm, destinés aux applications télécom, capteurs intégrés et imagerie médicale. En vue de réaliser des VCSELs accordables sur de large gamme spectrale (>> 50 nm), ce travail de thèse s'est attaché à étudier et à améliorer les éléments clés constitutifs de ces dispositifs, à savoir : les miroirs de Bragg, la zone active, et les performances optiques et thermiques des VCSELs. Le fort contraste d'indice (Δn~1,9) des matériaux diélectriques (a-Si/a-SiN,x) a permis d'avoir une bande passante du miroir de Bragg suffisamment large (~700 nm) et des hautes réflectivités (~99,6%), assurant un bon fonctionnement du VCSEL. Pour la région active, nous avons opté pour les fils quantiques, qui grâce à leur dispersion en taille, permettent de bénéficier d'un gain matériau large bande. La réalisation d'un VCSEL à fils quantiques avec des miroirs diélectriques a permis une première démonstration internationale d'une émission laser sur un large domaine spectral de plus de 117 nm, couvrant ainsi les bandes de télécommunication optique C et L. L'émission laser est obtenue sous pompage optique continu jusqu'à une température de 42°C avec une puissance émise maximale de 1,3mW. Pour améliorer la puissance émise du laser, une étude en fonction du nombre de paires du miroir de sortie a été conduite. Pour un nombre de paires variable (4, 5 et 6 paires), le meilleur compromis a été obtenu pour un miroir de sortie comportant uniquement 4 paires, permettant d'accroitre la puissance émise de 0,1 mW (6 paires) à 1,3 mW (4 paires). Dans ce cas, l'amélioration des performances optiques s'est traduite également par un meilleur rendement quantique différentiel externe du laser et une augmentation de la plage de fonctionnement en puissance de pompe. Afin d'améliorer la dissipation thermique du VCSEL, le concept du miroir hybride a été développé. Ce dernier permet de conserver voire d'améliorer la réflectivité du miroir diélectrique classique tout en réduisant le nombre de paires le constituant. Ceci a permis de démontrer expérimentalement une diminution de 29 % de la résistance thermique, ce qui confirme l'efficacité du miroir hybride pour être une alternative potentielle au miroir diélectrique classique. Cette amélioration de l'aspect thermique a permis une augmentation de la température de fonctionnement jusqu'à 45°C et une puissance émise maximale de 1,8 mW. La réalisation du procédé TSHEC combiné au miroir hybride enterré, a permis d'améliorer encore davantage les performances optiques et thermiques du VCSEL. Ainsi, avec un miroir enterré de 20 µm de diamètre, nous avons démontré une puissance émise maximale de 2,2 mW avec une plage de fonctionnement en puissance de pompe plus large et une température de fonctionnement allant jusqu'à 55°C. L'ensemble de ces optimisations seront prochainement implémentées dans les structures VCSELs accordables du projet ANR HYPOCAMP.

  • Titre traduit

    New widely tunable laser sources for telecom applications and new sensors


  • Résumé

    This thesis focuses on the study and realization of broadband vertical cavity lasers emitting at 1,55 µm, useful for telecom applications, integrated sensors and medical imaging. ln order to achieve tunable VCSELs over broad spectral range(>> 50 nm), this thesis focused on the study and improvement the key components of these devices, which are: Bragg mirrors, active region and optical and thermal performances of VCSELs. The high index contrast (Δn~1,9) of dielectric materials (a-Si/a-SiN.) allowed a large bandwidth mirror (~700 nm) and high reflectivity (99.6%), ensuring a good VCSEL operation. For the active region, we opted for using quantum dashes, and thanks to their size dispersion allow having a broadband gain material. The realization of the quantum dashes based VCSEL with dielectric mirrors allowed a first international demonstration of a laser emission over a broadband of 117 nm, covering the optical telecommunication C and L bands. The laser emission is obtained under continuous optical pumping up to 42°C with a maximum output power of 1.3 mW. To improve the emitted laser power, a study based on the number of the output mirror pairs was conducted. For a variable number of pairs (4, 5 and 6 pairs), the best compromise was obtained for an output mirror with 4 pairs only, for which the output power is increasing from 0.1 mW (6 pairs) to 1.3 mW (4 pairs). ln this case, besides the increase of the output power, performance improvement is also reflected by improved external differential quantum efficiency of the laser and an increase in the operating range of the pump power. To improve the thermal aspect of the VCSEL, an approach based on the use of hybrid mirror was developed. This allows to keep even to improve the reflectivity of the standard dielectric mirror while reducing its number of pairs. Experimentally, it has been demonstrated a 29 % reduction in thermal resistance, confirming the effectiveness of the hybrid mirror to be a potential alternative to standard dielectric mirror. This improvement in term of thermal dissipation allowed an increase in operating temperature up to 45°C and a maximum output power of 1.8 mW. The realization of TSHEC process based on buried hybrid mirror, allowed further optical and thermal enhancements. Thus, with a 20 µm Bragg mirror diameter, we have demonstrated a maximum output power of 2.2 mW with a larger pump power operating range and a temperature operating up to 55 °C. All these optimizations will soon be implemented within the tunable VCSEL structures of HYPOCAMP ANR project.


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