Conception et réalisation d'une source VCSEL accordable pour un microsystème d'analyse de la peau par tomographie par cohérence optique (OCT)

par Benjamin Boisnard

Thèse de doctorat en MicroNano Systèmes

Sous la direction de Véronique Bardinal et de Thierry Camps.


  • Résumé

    Ces travaux de thèse portent sur la conception, la réalisation et la caractérisation de diodes VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) accordables spectralement et intégrables dans un système miniaturisation d'analyse SS-OCT (Tomographie par Cohérence Optique à balayage de source) pour la détection précoce des pathologies de la peau. L'approche originale que nous avons explorée pour réaliser la source VCSEL accordable à 850nm réside dans l'exploitation de cristaux liquides (CLs) nématiques intracavité. Ceci permet d'en envisager une meilleure stabilité mécanique et une tension de commande plus faible que dans le cas de l'intégration d'un MEMS Electrostatique en surface d'un demi VCSEL. Il est cependant nécessaire de lever plusieurs verrous technologiques pour pouvoir maitriser l'intégration hybride de microcellules à CL dans un composant photonique à base de semiconducteurs III-V. Il s'agit en particulier de concilier l'alignement uniforme des molécules de CL avec l'optimisation de l'injection électrique dans le dispositif. Dans ce but, nous avons mis au point une méthode originale de fabrication collective de microcellules à CL à base de polymères, en exploitant notamment les avantages d'un équipement de nanoimpression douce. Cette méthode générique a ensuite été validé par la réalisation de plusieurs composants optiques accordables à 1.55µm (filtres optiques de haute finesse, matrices de photodétecteurs et VCSELs à pompage optique) pour des applications telecom ou de spectroscopie miniature. Une émission laser a ainsi été obtenue pour la première fois en continu à température ambiante avec une accordabilité de 23.5 nm pour une tension appliqué de 20V. Un VCSEL accordable fonctionnant à 850nm en pompage électrique a été également conçu et réalisé. Les premières caractérisations ont mis en évidence un effet laser sur la partie demi-VCSEL place en configuration de cavité(c) externe, ainsi qu'une accordabilité du pic d'électroluminescence du composant complet sur 10nm pour 20V appliqués.

  • Titre traduit

    Design and fabrication of a tunable VCSEL source for a skin analysis microsystem by Optical Coherence Tomography (OCT)


  • Résumé

    This work deals with the design, realization and characterization of a spectrally-tunable VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) to be integrated in a portable SS-OCT microsystem (Swept-Source Optical Coherence Tomography) for early detection of skin diseases. Our approach for tunable source fabrication is based on of the use of an intracavity nematic liquid crystal layer (LC). This will lead to a better mechanical stability and a lower driving voltage than for the classical case of electrostatic MEMS integration at the surface of the half-VCSEL. It is however necessary to solve several technological issues to master the hybrid integration of CL microcells in a III-V-based photonic device and to combine LC molecules alignment with electrical injection in the device. To this end, an original method for collective fabrication of polymer-based microcells is developed, exploiting the advantages of a soft-nanoimprint equipment. This generic met! hod is validated by the fabrication of several optical tunable devices operating at 1.55Î1/4m (high-finesse optical filters, photodetector arrays and optically-pumped VCSELs) for telecom or miniaturized spectroscopy applications. A laser emission at room temperature in continuous regime is obtained for the first time with a tuning range of 23.5 nm for an applied voltage of 20V. A tunable electrically-pumped VCSEL operating at 850nm is also designed and fabricated. First results show a laser effect observed on the half-VCSEL part placed in an external cavity configuration. A spectral tunability of the electroluminescence peak of the complete device over 10nm is also obtained for 20V applied.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2019 par Université Paul Sabatier à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Conception et réalisation d'une source VCSEL accordable pour un microsystème d'analyse de la peau par tomographie par cohérence optique (OCT)
  • Détails : 1 vol. (142 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 137-142
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