Étude et réalisation de lasers à cavité verticale mono et multi-longueurs d'onde émettant à 1,55 μm
Résumé
This thesis deals with the study and the development of vertical cavity devices in the context of 1.55 μm wavelength division multiplexed for short and middle distance networks. In order to fabricate these structures, we have developed dielectric Bragg mirrors based on amorphous silicon and amorphous silicon nitride materials. The high refractive index difference (1,9), between these two materials, allows reaching the high reflectivity needed for VCSEL lasing operation. Following the mirror development, we realized a VCSEL bonded on to silicon substrate thanks to an AuIn2 metallic alloy formation. This device comprises two dielectric Bragg mirrors and an active region based on InGaAs/InGaAsP quantum well. Improvements based on characterizations and simulations carried out on our VCSEL structures have allowed us to obtain optically pumped devices with a laser emission in continuous wave operation up to 35°C. These encouraging results confirm the reliability of our VCSEL technology process and the good quality of our dielectric Bragg mirror. In order to avoid polarization instabilities emitted by VCSELs, we suggested the use of anisotropic InAs/InP quantum nanostructures, which exhibit a wire-like shape. The study of these nanostructures when placed inside a microcavity has shown that quantum wires are of great interests to provide an anisotropic optical gain and a stable polarization. We developed a tunable VCSEL with a new approach. The principle consists in the introduction of an electro-optic layer based on nano-PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) inside the VCSEL cavity. Nano-PDLC material provides an isotropic refractive index variation thanks to an applied voltage. A first tunable laser emission has been demonstrated for a VCSEL using this electro-optic approach. A tunability as large as 10-nm around 1.55-μm is obtained for an applied voltage of 170V, and the average switching time to scan the full spectral range is close to 30 μs.
Ce travail de thèse porte sur l'étude et le développement de composants à cavité verticale dans le contexte des réseaux courtes et moyennes distances multiplexés en longueur d'onde autour de 1,55 μm. Pour fabriquer de telles structures, nous avons tout d'abord développé des miroirs de Bragg diélectriques constitués de silicium amorphe et de nitrure de silicium. La différence d'indice (1,9) élevée entre ces matériaux a permis d'atteindre les hautes réflectivités (R = 99,5%) nécessaires au bon fonctionnement des VCSELs. A la suite du développement de ces miroirs, nous avons réalisé un VCSEL, reporté sur substrat silicium par collage métallique AuIn2, comprenant deux miroirs diélectriques et une zone active à base de puits quantiques InGaAs/InGaAsP. Les caractérisations et les études par simulation du VCSEL ont engendré plusieurs optimisations, et ont permis d'obtenir une émission laser continue sous pompage optique jusqu'à une température de 35°C. Ces résultats encourageants ont validé notre processus de fabrication ainsi que la fiabilité et la bonne qualité des miroirs de Bragg diélectriques. Pour s'affranchir du caractère instable de la polarisation de ces VCSELs nous avons proposé l'utilisation de nanostructures quantiques InAs/InP anisotropes se présentant sous forme de fils. L'étude de ces structures et leur mise en cavité ont démontré leur intérêt pour introduire une anisotropie du gain permettant d'assurer une polarisation stable. Nous avons développé un VCSEL accordable suivant une nouvelle approche. Le principe repose sur l'insertion d'une couche de phase électro-optique à base de nano-PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) dans la cavité du VCSEL. Le nano-PDLC, permet d'obtenir une variation isotrope de l'indice de réfraction sous l'action d'une tension. La réalisation d'un prototype pompé optiquement a permis une première démonstration de faisabilité d'un VCSEL accordable par voie électro-optique. Une accordabilité de 10-nm autour de 1.55-μm a été mesurée pour une tension de 170V, et le temps moyen de commutation sur la gamme spectrale est de 30 μs.
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