Optimisation thermique de lasers à cavité vertical à base d’InP et reportés sur substrat silicium, pour des applications télécom

Thermal optimization ofInP-based vertical-cavity surface-emitting lasers reported on silicon substarte, for telecom applications

• Auteur / Autrice : Ahmad Shuaib
• Direction : Olivier Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Discipline Physique-Optoélectronique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Rennes, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique

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Résumé

En tant que sources de lumière cohérente bas-coût, les VCSELS sont incontournables dans beaucoup de domaines dont celui des telecoms optiques. Cependant, des améliorations des propriétés des VCSELS sont indispensables notamment dans le domaine de la « fibre-vers-l’abonné » utilisant la technologie InP à 1,5 µm. En effet, ce domaine ne se développera qu’en remplaçant les lasers à émission par la tranche par des lasers VCSELs bas-coûts. Ceci sera possible à condition d’optimiser l’évacuation de la chaleur générée par la zone active et limitant la puissance de ces VCSELs. Ce travail de thèse est dédié à l’optimisation de l’évacuation thermique de VCSELs émettant à 1,5 µm pompés optiquement et fonctionnant en continu à température ambiante. En particulier, nous avons utilisé des miroirs de Bragg diélectriques (a-SiH/a-SiNx) reportés sur substrats de Si. De plus, nous montrons qu’une optimisation de l’épaisseur d’InP intra-cavité permet d’améliorer l’évacuation de la chaleur dans nos VCSELs. Finalement, nous proposons un nouveau design de VCSEL composé d’un miroir de fond de cavité enterré dans des couches métalliques. Les optimisations présentées dans le cadre du VCSEL pompé optiquement ont pour but d’être utilisés ultérieurement pour le VCSEL pompé électriquement.

For the last years, Vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) have become of large commercial importance since they are the dominant low cost, low power coherent sources in many applications such as short distance data communication. However, despite their great success, there remain opportunities for improvement, in particular in the fiber-to-the-home (FTTH) segment which needs 1550 nm long-wavelength VCSELs, based on the InP technology. Indeed, the FTTH infrastructure would develop only if the optical network becomes less costly, that is only if the laser component becomes more cheaper by replacing the edge-emitting lasers by VCSEL lasers. In particular, to be cost-effective, these devices must avoid complicating factors like cooling systems. Indeed, the high temperature generated in the active region is one of the limiting factors in achieving high power operation. This thesis work is focused on investigating the effects of thermal management on improving properties of optically-pumped VCSELs in order to achieve higher thermal performance devices. In particular, improved thermal performance has been obtained by using (a-SiH/a-SiNx)-based efficient dielectric Bragg mirror bonded on silicon substrate. Moreover, we found that a broad heat spreading in the intra-cavity InP layer is essential for obtaining low thermal resistance, we report on an optimisation of the intra-cavity InP thickness. We finally introduce a new design for the VCSEL device by using a bottom Bragg mirror patterned and embedded inside a metallic layer. Such device has been studied and implemented. Continuous wave (CW) single mode laser operation is demonstrated at room temperature (RT) with a photopumping experiment. The optimisations on the optically pumped VCSELs shown in this thesis work can be used in electrically pumped VCSEL