Soutenance mémoire
Depuis plus de quarante ans, les lasers à semi-conducteurs connaissent un très fort développement et sont désormais exploités dans de nombreux domaines allant des communications optiques (liaisons optiques pour réseaux locaux) à des applications plus grand public (souris d’ordinateur, scanner de codes-barres, pointeurs laser,…) ou très spécifiques tels que le biomédical ou l’instrumentation. Dans ce contexte, les VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) occupent une place de choix depuis leur invention en 1977 et ont suscité un engouement important et des recherches considérables. En effet, leurs qualités (compacité, faible consommation, bande passante étendue, bas cout, comportement monomode) en font une source de plus en plus privilégiée dans nombre d’applications, notamment grâce aux améliorations technologiques apportées au cours des années.
Propriétés et applications des VCSELs
Principe
Le VCSEL est un laser à semiconducteur qui se distingue des diodes laser conventionnelles par sa construction verticale . Un VCSEL est constitué d’une zone active, siège de l’émission, entourée de deux Réflecteurs de Bragg distribués (DBRs). La source d’excitation peut être soit une injection électrique via deux électrodes, amenant le courant électrique jusqu’à la zone de gain au travers des DBRs dopés p et n, soit un pompage optique qui va directement injecter des photons dans la zone active. Cette zone est une cavité résonnante non dopée (intrinsèque), composée de boîtes ou de puits quantiques, dans lesquels va avoir lieu la recombinaison entre les électrons et les trous provoquant l’émission spontanée de photons. En faisant des allers-retours dans la cavité, les photons ainsi générés vont être amplifiés par émission stimulé. Pour obtenir l’effet laser, les pertes de la cavité et des miroirs doivent être inférieures au gain optique. Dans un VCSEL, ce dernier est faible en raison de la faible épaisseur de la cavité (épaisseur optique égale en général à la longueur d’onde). Pour compenser celui ci, des miroirs de très haute réflectivité sont donc nécessaires. Les DBRs sont constitués de plusieurs dizaines de périodes composées de couches d’indice alternés et d’épaisseur quart d’onde qui permettent d’atteindre plus de 99% de réflectivité.
Le faisceau laser est émis verticalement, en général à travers le miroir supérieur qui possède une réflectivité légèrement inférieure à celle du miroir inférieur et sur lequel est déposée une électrode annulaire.
Historique
Kenichi Iga a été le premier à proposer le concept d’émission surfacique avec une géométrie verticale . Son équipe a développé deux ans plus tard le premier laser émettant par la surface fonctionnant à basse température (T=77K) et en régime pulsé [Soda, 1979]. Ce premier VCSEL a été réalisé sur substrat InP avec des puits quantiques en GaInAsP entourées de simples miroirs métalliques.
Le premier laser émettant par la surface à base de GaAs/GaAlAs fonctionnant à température ambiante a été ensuite conçu en 1984 [Iga, 1984]. Cependant, il faudra attendre 1988 pour que le premier VCSEL à base GaAs avec des puits quantiques de GaInAs voit le jour, conduisant à des composants fonctionnant à température ambiante et en régime continu [Koyama, 1988]. Cela a été rendu possible notamment grâce aux avancées technologiques dans les techniques de dépôts par épitaxies par jets moléculaires et grâce à l’utilisation de puits et de boîtes quantiques pour les zones de gain [Kroemer, 1982]. De nombreuses autres améliorations se sont ensuite succédées : les deux avancées majeures étant d’une part sur l’ingénierie de diagramme de bandes dans les réflecteurs de Bragg distribués et d’autre part l’insertion d’un diaphragme d’oxyde enterré, ce qui a permis de fiabiliser le composant pour autoriser un transfert industriel et une production de masse à bas prix. Actuellement, la technologie la plus mature est basée sur la filière GaAs/GaAlAs sur substrat GaAs pour l’émission dans le proche infra-rouge, entre 850 nm et 1µm. Ces alliages ternaires III-V présentent un très bon accord de maille, une différence d’indice optique élevée (nGaAs=3.495, nAlAs=2.95), ce qui a permis de limiter le nombre de couches dans les miroirs de Bragg et de gérer les problèmes de conduction électrique et thermique. D’autres familles de composés ternaires ou quaternaires III-V (à base de phosphures, d’antimoniures ou de nitrures, sur substrats d’InP, de GaSb ou de GaN…) ont été et sont toujours explorés pour atteindre des performances équivalentes dans le domaine des longueurs d’onde télécom, du visible, ou du moyen infrarouge. Enfin, les avancées technologiques liées au VCSEL ont également donné naissance à de nombreux autres dispositifs de géométries proches, dont les VCSELs multifonctionnel (modulation, détection, double émission) ou encore les VECSELs (pour Vertical-External Cavity Surface-Emitting Lasers) ou lasers à cavité externes.
Méthodes de confinement transverse
La technique de confinement latéral du courant employée pour fabriquer les VCSELs à injection électrique est un point clef pour obtenir des sources laser performantes. Trois principales méthodes de confinement transverse ont été développées successivement :
– l’implantation ionique consiste à créer des défauts cristallins localisés pour réaliser une zone amorphe isolante confinant les lignes de courant dans la zone non implantée [Yang, 1992]. Néanmoins cette méthode ne confine pas les photons émis. De plus, la création de ces défauts provoque des pertes optiques.
– la gravure d’un mesa au niveau du miroir supérieur permet de localiser l’injection et d’obtenir un confinement optique par l’indice [Saito, 1996]. Cependant ce procédé entraîne des pertes électriques sur les flancs, des pertes optiques sous l’anneau métallique pour les tailles faibles de zone active, ainsi qu’une mauvaise dissipation thermique.
– la définition d’un diaphragme d’oxyde enterré par oxydation thermique humide d’une couche riche en Aluminium près de la cavité est la technique de confinement la plus efficace. En effet, elle permet un confinement à la fois optique et électrique pour des zones actives de taille réduite et par conséquent d’éliminer les modes laser d’ordre supérieur [Huffaker, 1994]. Les VCSELs à diaphragme d’oxyde sont donc les plus performants car ils permettent d’obtenir des courants de seuil faible (<mA) et des fonctionnements monomodes, cependant c’est la technique la plus complexe des trois à réaliser. Notre équipe travaille depuis de nombreuses années sur ce procédé, sur sa maitrise [Almuneau, 2008] ainsi que sur son extension à d’autres filières [Laaroussi, 2011].
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Contexte et objectifs de la thèse : du VCSEL au microsystème optique
1. Propriétés et applications des VCSELs
1.1 Principe
1.2 Historique
1.3 VCSELs à cavité externe
1.4 Méthodes de confinement transverse
1.5 Configurations géométriques pour l’émission
1.6 Avantages des VCSELs
1.7 Applications des VCSELs
1.8 Intégration des VCSELs dans les capteurs optiques
1.9. Recherches actuelles et objectifs de la thèse
2. Mise en forme des faisceaux VCSELs : besoins et contraintes
2.1 Rappels sur les faisceaux gaussiens
2.2 Divergence des VCSELs
2.3 Besoins pour les communications optiques par fibre
2.4 Besoins pour les capteurs optiques
2.5 Contraintes sur la géométrie et la technologie de fabrication
3. Micro-optique passive
3.1 Assemblage hybride de lentilles passives au-dessus d’un VCSEL
3.2 Intégration dans la structure semi-conductrice du VCSEL
3.3 Méthodes d’intégration post-process de lentille en polymère sur VCSELs
4. Etat de l’art sur la micro-optique active sur VCSEL
4.1 MOEMS hybridé sur VCSEL
4.2 Technologies pour les VCSELs accordables
5. Conclusions et approche retenue
Chapitre II Conception d’une micro-optique active intégrée sur VCSEL
1. Choix du matériau
2. Choix de l’actionnement
2.1 Commande piézo-électrique
2.2 Commande électromagnétique
2.3 Commande électrostatique
2.4 Commande électro-thermique
2.5 Commande pneumatique
2.6 Commande par électromouillage de lentilles liquides
2.7 Actionnement électro-optique à base de cristaux liquides
2.8 Conclusions sur l’actionnement
3. Choix de la géométrie
4. Conception optique
4.1 Lentille fixe pour la collimation
4.2 Lentille mobile
5. Simulations thermo-mécaniques sous Comsol Multiphysics
5.1 Définition de la structure élémentaire
5.2 Rappels physiques liés à la thermique
5.3 Optimisation de la géométrie
5.4 Synthèse de la simulation thermo-mécanique
6. Conclusions
Chapitre III Polymère SU-8 pour la micro-optique sur VCSELs
1. Rappels sur les polymères
2. Photopolymère SU-8
2.1 Présentation
2.2 Caractéristiques et avantages de la résine SU-8
2.3 Principe de mise en œuvre
3. Etude de la fiabilité de la SU-8
3.1 Données disponibles
3.2 Projet FIAB SU-8
3.3 Plan d’expérience et équipement utilisé pour les vieillissements
3.4 Echantillons étudiés
3.5 Evolution des propriétés optiques
3.6 Evolution des propriétés d’adhérence
3.7 Bilan et conclusions
4. Conclusions
Chapitre IV Réalisation technologique de microlentilles intégrées sur VCSELs
Conclusion générale
