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Description des VCSEL
Ces lasers ont une structure verticale et cylindrique permettant au faisceau émis d’être circulaire et faiblement divergent.
Le VCSEL est un laser à puits quantiques. Il en comporte 3 le plus souvent. La position de ces puits va être déterminée en fonction de l’onde stationnaire oscillant dans la cavité résonante. Un puits quantique est un puits de potentiel pour les électrons et les trous créés par une succession de trois matériaux semi-conducteurs d’énergies de gap différentes : un matériau de petite énergie de gap entouré de deux matériaux d’énergies de gap plus grandes. En général les deux matériaux constituant les barrières du puits quantique sont identiques. C’est dans le puits quantique où les électrons et les trous sont injectés, se recombinent et émettent de l’énergie sous forme de lumière. Son but est de confiner les électrons dans une seule direction de l’espace et de diminuer le seuil laser du composant.
Le VCSEL est composé essentiellement de trois parties principales : un miroir inferieur dopé n, une zone active et un miroir supérieur dopé p.
Le matériau de départ est une plaquette monocristalline par exemple de GaAs de type n ou InP. La structure VCSEL est créée par dépôt de plusieurs couches semi-conductrices monocristallin au-dessus de la plaquette (substrat). La zone active est prise en sandwich entre deux miroirs de forte réflectivité. Elle est composée d’un matériau de fort indice avec en son centre la zone de gain constituée de multi-puits quantiques.
Les miroirs supérieurs et inférieurs appelés aussi les réflecteurs de Bragg distribués (Distributed Bragg Reflectors) ou DBR permettent la circulation des électrons jusqu’à la zone active. Ils sont obtenus par empilement de couches minces alternées de haut et bas indices de réfraction. La superposition de ces couches minces augmente la réflectivité des miroirs et plus le nombre de périodes et le saut d’indice augmentent plus cette réflectivité sera d’autant plus grande. Ces miroirs sont dopés N et P afin de former une jonction P-N .
Implantation Ionique
Elle consiste à introduire, sous vide, des atomes ionisés projetés avec suffisamment d’énergie pour pénétrer dans l’échantillon cible. On utilise le plus souvent des protons (H+, O+, N+,F+). Elle permet de contrôler précisément la quantité d’atomes implantés (dose d’implantation).
Elle est aussi utilisée pour réaliser les VCSEL à implantation protoniques. Cette méthode utilisée a consisté à créer des défauts cristallins localisés par implantation ionique pour réaliser une zone amorphe isolante. Les lignes de courant sont ainsi confinées dans la zone non implantée.
Oxydation
L’exposition d’alliage AlGaAs à des températures de 350 à 500 ℃ en un environnement de vapeur d’eau, transforme le semi-conducteur en un oxyde d’indice optique faible, isolant, chimiquement inerte et robuste mécaniquement. Il s’agit d’une oxydation humide. Cette technique permet d’obtenir une oxydation sélective dans des VCSEL monolithiques. Ceci a permis à certains groupes de pouvoir oxyder des couches d’AlAs ou d’AlGaAs dans des VCSEL.
Nous allons développer la technologie AlOx qui consiste à introduire un diaphragme d’oxyde enterré dans la structure du VCSEL.
La technique aujourd’hui la plus utilisée pour réaliser le confinement électrique est celle de l’oxydation thermique humide de couches riches en Aluminium .Cette technologie s’appuie sur la technologie mesa avec une étape supplémentaire : le fait d’enterrer un diaphragme d’oxyde entre l’étape de gravure permet de recentrer les lignes de courant au centre de la mesa et de réduire considérablement le courant de seuil du composant.
On améliore aussi le confinement électrique à l’intérieur de la structure ainsi que le confinement optique en diminuant la divergence du faisceau laser.
Utilisation des VCSEL
Les diodes VCSEL sont utilisées dans des domaines variés tels que la médecine, les communications ou les divertissements. Mais l’application principale, laquelle nous traitons dans ce manuscrit reste les domaines des télécommunications optiques et le stockage des données (lecture et écriture optique). La croissance des échanges, notamment pour le standard 1Gbit Ethernet, protocole de transmission de données dans les réseaux locaux avec internet de nos jours, réclame toujours de haut débit. Ainsi sur des distances moyennes de quelques kilomètres, les VCSEL de longueur d’onde 1.3 µm sont idéaux pour cette transmission. La longueur d’onde 1.55 µm est attribuée aux transmissions de longues distances. En effet un signal se propageant dans une fibre optique à 1.55 µm subira le moins d’atténuation. L’utilisation de cette fenêtre permet de diminuer le nombre de répéteurs sur la ligne de transmission, comme par exemple sur les lignes transatlantiques. Les fibres optiques sont un moyen prépondérant pour un transfert fiable et rapide de données. Ces fibres optiques et la mise en place de composant performants tels que les VCSEL ont permis une augmentation importante des débits de transmission. Ainsi le multiplexage en longueur d’onde (WDM: Wavelength Division Multiplexing) permet d’augmenter encore plus la capacité de transmission de données par fibres optiques. Cela permet d’utiliser plus efficacement la très large bande passante offerte par les fibres optiques.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Présentation des VCSEL
1.2 Description des VCSEL
1.3 Principe de fonctionnement
1.4 Caractéristiques des VCSEL
1.4.1 Caractéristiques courant-puissance
1.4.2 Caractéristique courant-tension
1.5 Conclusion
Chapitre II : Techniques de fabrication
2.2 Epitaxie
2.3 Implantation Ionique
2.4 Gravure
2.5 Oxydation
2.6 Conclusion
Chapitre III : Utilisation des VCSEL
Conclusion générale
Références bibliographiques
