NICOLAS RIVIERE. Séminaire SupAéro Technologie des circuits optiques et optoélectroniques. présenté par

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1 Séminaire SupAéro Technologie des circuits optiques et optoélectroniques VCSELS CARACTERISTIQUES EN CONTINU ET EN PULSE présenté par NICOLAS RIVIERE DEA MICRO ONDES & TRANSMISSIONS OPTIQUES

2 SOMMAIRE Introduction... 1 I. Présentation des VCSELs Fonctionnement d un laser Description des VCSELs Avantages des VCSELs... 4 II. Banc de mesure Mise en œuvre de la mesure Conception du banc de mesure... 7 III. Résultats expérimentaux Caractérisation en courant continu Caractérisation en courant pulsé Bilan de courant en continu et en pulsé Conclusion Bibliographie Consultez le pour plus de renseignements

3 La recherche dans le domaine des semi-conducteurs a toujours connue un réel succès car elle tente de remplacer l électronique par des composants optoélectroniques. La rapidité, le parallélisme et le haut débit motivent cette recherche. Des applications telles que les interconnexions optiques, le routage ou les télécommunications permettent de développer ces composants avec une très grande fiabilité et des coûts moindres. Une grande attention est portée aux sources qui génèrent les signaux optiques. De nouvelles techniques sont apparues au début des années 80. Iga et al. ont émis l idée de lasers à cavité verticale dès Les premiers VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) seront fabriqués une dizaine d années plus tard avec pour objectif de remplacer les composants électroniques. L engouement pour cette nouvelle technologie a été rapide puisqu elle présente de nombreux avantages. Néanmoins, sa grande distribution a rencontré certains obstacles, mobilisant encore plus la communauté des chercheurs dans ce domaine. Dans un premier temps, nous présenterons les composants mis à notre disposition lors des séances de manipulation. Puis, nous décrirons le banc d optique et le principe d étude avant de développer les résultats obtenus. L étude mettra donc en parallèle deux modes de fonctionnement des VCSELs : le mode continu et le mode pulsé. 1

4 CHAPITRE I PRESENTATION DES VCSELS Les lasers à semi-conducteurs existent depuis une quarantaine d années et connaissent un développement important. Les lasers dits à cavité verticale présentent certains avantages par rapport aux lasers plus traditionnels. Cette comparaison s avère nécessaire pour expliquer l engouement pour ces structures. Dans un premier temps, nous allons rappeler le principe de base des lasers avant d approfondir le mode de fonctionnement des VCSELs. I.1 FONCTIONNEMENT D UN LASER Par définition du laser, on excite les atomes d un milieu actif puis on déclenche l émission de photons en cascade. Les rayons lumineux oscillent dans la cavité avant d être émis : le laser est assimilé à un oscillateur optique résonnant. Source de pompage Miroir 1 Milieu actif Miroir 2 L 99,9 % 99 % Figure I.1 Principe général d un laser. hν Le phénomène d émission stimulée qui a lieu dans le milieu actif permet la génération de photons identiques (mêmes fréquence, phase et direction). Dans un laser, cette opération est fortement amplifiée par la cavité, le faisceau est alors bien défini par une fréquence, une phase et une direction : on parle de lumière cohérente. Pour obtenir l effet laser, il faut réaliser une inversion de population entre deux niveaux d énergie en apportant au milieu matériel une puissance extérieure (pompage du laser). La sélectivité en fréquence est réalisée par la cavité Fabry-Pérot constituée de deux miroirs réfléchissants. La longueur d onde d émission dépend de la longueur de la cavité et du milieu par la relation suivante : avec L Longueur de la cavité λ Longueur d onde n Indice de réfraction k Nombre entier quelconque λ L = k 2 n 2

5 Cette condition impose aux ondes d être en phase. Les interférences sont constructives. On remarquera que si la réflectivité des miroirs augmente, la longueur de la cavité (L) diminue. Pour les VCSELs dont les dimensions sont réduites, on voit qu il sera nécessaire d obtenir de bons miroirs réfléchissants. Au seuil laser, le gain intra-cavité n est pas suffisant pour compenser les pertes. La puissance de pompage augmente tout comme l émission stimulée. Au-dessus de ce seuil, l émission stimulée amorce le processus d oscillation. I.2 DESCRIPTION DES VCSELS Les lasers à émission par la tranche sont caractérisés par des faces clivées servant de miroirs. Pour la technologie VCSEL, les miroirs doivent être implantés dans la structure. Le réseau de miroirs de Bragg correspond à un empilement de couches minces d AlAs et de (Ga,Al)As ou Ga 1-x Al x As. L épitaxie est la méthode de fabrication la mieux adaptée car elle permet d alterner les indices optiques. La zone centrale active est le siège de l émission. Elle est constituée de multi-puits quantiques (au nombre de trois dans notre cas). Métallisation Electrode positive Zone GaAs ou SiO 2 Faisceau laser Zone p GaAs Zone n Ga 1-xAl xas Zone p GaAs Zone p Ga 1-xAl xas Zone active p GaAs Métallisation Contact supérieur Guidage du courant Puits quantiques Miroirs de Bragg Electrode négative a) b) Contact inférieur Figure I.2 a) Représentation d une diode classique b) Modélisation d un VCSEL. Les puits sont réalisés en GaAs et sont entourés de barrières de Ga 1-x Al x As. Les porteurs sont confinés dans une seule direction : la barrière de potentiel est déformée par l application d une polarisation. La dimension des puits nous permet de déterminer précisément les niveaux énergétiques mis en jeu. Le contrôle de la largeur de la bande interdite et de la longueur d onde est alors aisé. L introduction de ces puits permet également de diminuer le seuil en courant. Par rapport aux lasers à émission par la tranche, la couche active des VCSEL est très petite. Cette limitation est liée à la durée de l épitaxie. La solution pour pallier ce problème consiste à augmenter la réflectivité des miroirs et à introduire le concept de réseau de Bragg. Les miroirs de Bragg distribués sont fabriqués par superposition d alliage de Ga 1-x Al x As dont l élément de base est formé par une couche de haut indice (GaAs) et par une couche de bas 3

6 indice (AlAs). L épaisseur de cette multicouche périodique doit être quart d onde : avec des distances proportionnelles à k.λ/4, on impose des interférences constructives. Pour augmenter le coefficient de réflexion, on augmente le nombre de périodes ainsi que le saut d indice entre les demi-périodes. A titre d exemple, il est facile d obtenir un coefficient R supérieur à 99 % si on considère une vingtaine de couches et un saut d indice de 0,5. Dans le cas des lasers GaAs clivés, ce même coefficient ne dépassait pas les 30 %. L amplification dans un VCSEL est donc plus importante que dans les diodes à émission par la tranche. Des améliorations sont apportées à la structure pour permettre un confinement latéral des porteurs. Cette zone isolante autour du composant est créée sous l influence d un bombardement de protons. L implantation de protons permet, localement, la création de défauts et l augmentation de la résistivité du matériau. Cette technique s applique aussi bien à des structures planaires qu à des structures mesa. Toutefois, si on diminue trop le diamètre conducteur, on augmente la résistance de série du miroir supérieur et on perturbe l émission laser. Les VCSELs que nous avons utilisé adoptent cette technologie même si des inconvénients peuvent apparaître. Avec la technologie planaire, l étendue des effets de l implantation sous le masque limite la définition des motifs et le minimum des diamètres que l on peut obtenir. Le confinement électrique n est pas excellent et le laser fonctionne généralement en multimode. C est pourquoi, d autres techniques de confinement ont été mises au point pour permettre de pallier ces problèmes. Par la suite, nous utiliserons exclusivement des modèles planaires à implantation de protons. Une étude plus approfondie permettrait de les comparer à d autres confinements (par couche oxydée par exemple). Multi-implantation pour isolation entre composants Métallisation face avant Implantation profonde pour le confinement latéral du courant Métallisation face arrière Figure I.3 Confinement électrique par implantation ionique. I.3 AVANTAGES DES VCSELS L avantage principal qui est souvent mis en avant réside dans la possibilité de fabriquer des matrices bidimensionnelles d émetteurs lasers. En effet, leur faible encombrement permet une forte densité d intégration. Initialement prévus pour produire de fortes puissances optiques lorsqu ils sont mis en matrice, les VCSELs présentent d autres avantages par rapport aux lasers émettant par la tranche. Pour des diodes lasers conventionnelles, la vérification de son bon fonctionnement ne peut être effectuée qu après découpe et montage. En effet, il faut cliver les deux faces parallèlement à une distance déterminée par études. Pour les VCSELs, la lumière est émise perpendiculairement au 4

7 dispositif. La mesure des caractéristiques sous pointe est réalisable avant la découpe et l intégration du système. Contrairement aux diodes lasers, les VCSELs sont définis par leur méthode de fabrication (épitaxie, masques ). Un grand nombre de formes est envisageable avec des coûts de fabrication peu élevés. De plus, le temps de test peut être diminué par des méthodes d automatisation. Le faisceau laser observé en sortie est généralement circulaire, symétrique et faiblement divergeant (5 en demi-angle). Dans le cas des lasers à émission par la tranche, on obtenait des faisceaux fortement elliptiques et divergents. Cet avantage est d autant plus important si on considère une liaison fibrée. Sans lentille, on peut injecter directement le rayon laser dans une fibre optique. Le faisceau optique étant dépourvu d astigmatisme, l optique de correction est ici inutile. Les courants de seuil sont faibles puisque le volume actif est très petit. Typiquement, nous avons obtenu des courants voisins de 4 ma. De nouvelles techniques de fabrication réduisent cette valeur à quelques centaines de microampères. Dans le cas des diodes lasers classiques, le courant de seuil est plus élevé (10 à 50 ma). Sous polarisation inverse, un VCSEL peut être également utilisé en photodétecteur. Cette caractéristique permet de diminuer le nombre de composants dans une liaison. Enfin, il est possible de réaliser directement des composants plus complexes en intégrant par exemple la technologie CMOS. Cette possibilité n était pas réalisable avec des lasers à émission par la face. Cette intégration hybride diminue la taille des systèmes et contribue au succès des VCSELs. Figure I.4 Intégration de VCSELs dans un circuit électronique. Toutefois, il existe un inconvénient majeur à l utilisation de VCSELs dans les télécommunications. De nos jours, il est facile de produire des VCSELs ayant une longueur d onde de ~840 nm. Pour les applications grands publics, il serait intéressant de porter cette valeur à 1,3 ou 1,5 µm. En effet, l atténuation et la dispersion dans les fibres optiques est minimale à l intérieur de ces fenêtres. De plus, on remarquera que la puissance optique est assez faible pour les applications recherchées. 5

8 CHAPITRE II BANC DE MESURE L étude que nous souhaitons effectuer permettra de comprendre le fonctionnement des VCSELs en mode pulsé et continu. L expérience devra être automatisée pour permettre d acquérir un certain nombre de données et de les exploiter. Le banc de mesure est donc adapté à l étude que nous souhaitons réaliser. II.1 MISE EN ŒUVRE DE LA MESURE Les composants que nous allons caractériser sont regroupés dans un boîtier : les quatre VCSELs sont directement montés sur plaque. De plus, ils sont accessibles par des connecteurs électriques, ce qui permet de s affranchir d une manipulation sous pointe. La source d alimentation doit permettre de passer rapidement du mode continu au mode pulsé. Deux sources distinctes sont utilisées : la première ne fournie que du courant continu, la seconde permet de travailler en mode pulsé (à partir d un courant continu). Pour faire varier le courant, on applique des tensions croissantes aux bornes d une résistance. Figure II.1 VCSELs montés pour une utilisation simplifiée. Notre étude portera sur le comportement des VCSELs en fonction de la température ambiante. Pour augmenter la plage de mesures, nous utilisons un module à effet Peltier. Un contrôleur en température y est associé et permettra de sélectionner la température de travail. Après manipulation, nous avons constaté une limitation du module Peltier. En effet, il n est pas possible de descendre en dessous de 10 C comme nous l aurions souhaité. Cette limitation est probablement imputable au radiateur qui n évacue pas assez rapidement la chaleur du boîtier. 6

9 Sur le banc optique, on installe également une photodiode dont les caractéristiques correspondent à celles des VCSELs. La puissance optique recueillie en champ lointain pourra être observée sur un oscilloscope. Pour régler l alignement du laser avec le photodétecteur, on cherchera à obtenir le maximum de signal aux bornes de la photodiode. Tous les instruments utilisés dans cette expérience sont reliés à un ordinateur via une carte GPIB. Une application développée sous «LabView» permet de commander les appareils et de mémoriser les données issues de la mesure. Après récupération des valeurs, nous avons développé un programme sous «MatLab» pour déterminer les courants de seuil et tracer les différentes courbes en vue de comparer les modes de fonctionnement du laser. II.2 CONCEPTION DU BANC DE MESURE En intégrant toutes les remarques précédentes, on réalise le montage horizontal du banc optique. La figure suivante regroupe l ensemble des composants mis en jeu. PC Contrôleur de température Sources de courant Continu Pulsé Oscilloscope Boîtier avec 4 VCSELs Photodiode pour la détection Banc optique Figure II.2 Réalisation du banc optique. A partir de ce montage, nous pouvons représenter l évolution de plusieurs paramètres dans différentes conditions. Ainsi, en jouant sur la température, nous pouvons visualiser la variation du courant de seuil. La comparaison entre une source continue ou pulsée constitue un axe privilégié dans notre recherche. Enfin, pour compléter notre étude, nous comparerons les résultats pour différents VCSELs. 7

10 CHAPITRE III RESULTATS EXPERIMENTAUX Afin de travailler sur les VCSELs, il est indispensable de connaître leurs caractéristiques. C est pour cette raison que nous allons étudier dans ce chapitre la variation de la puissance optique du VCSEL N 1 en fonction de la température et ainsi que l effet de la température sur le courant de seuil. III.1 CARACTERISATION EN COURANT CONTINU Dans un premier temps, on s intéresse à la variation de la puissance optique en fonction du courant continu pour différentes valeurs de températures. Pour éviter l échauffement du VCSEL, le maximum de courant applicable est de 18 ma. De plus, en raison de problème de stabilisation à de basses températures, nous sommes limités à considérer un minimum de 10 C. L expérience montre que les courants de seuil sont légèrement modifiés lorsqu on augmente la température. On observe également des changements de mode en augmentant le courant. Pour de fortes températures et de forts courants de polarisation, nous observons un phénomène inattendu que nous tenterons d expliquer dans la partie III Variation de la Puissance optique en fonction du courant T = 10 C T = 15 C T = 20 C T = 25 C T = 30 C T = 35 C T = 40 C 0.12 Puisssance optique en mw Intensité en ma Figure III.1 Puissance en fonction du courant. 8

11 Dans la littérature du laser à semi-conducteur, les variations du courant de seuil en fonction de la température sont souvent représentées par l'expression suivante : I th (T 2 ) = I th (T 1 ). exp( (T 2 -T 1 )/T 0 ) avec T 1, T 2 différentes températures en Kelvin T 0 température caractéristique Nous constatons que pour le VCSEL, cette formule n'est plus valide, car la température caractéristique (T 0 ) obtenue n est pas constante (à l erreur de mesure près). T C I th (ma) Tableau III.1 Courants de seuil obtenus. Nous observons que les courants de seuil varient légèrement en fonction de la température par rapport aux autres lasers. C'est pourquoi, on utilise les VCSELs pour faire fonctionner certains systèmes embarqués (satellites) où les changements de température sont considérables. On peut également tracer un polynôme à l aide des points obtenus, pour avoir une formule mathématique donnant le courant de seuil en fonction de la température. On détermine un T 0 à partir de l équation : ici, nous avons trouvé une valeur voisine de zéro (0,2 C). Autrement dit, le courant de seuil est vraiment stationnaire aux alentours de ce T 0. Pour de fortes températures, le courant de seuil augmente. Ceci est dû à une agitation thermique qui produit davantage d émission spontanée. I th = 0,0007 T² + 0,0055 T + 4,1243 Figure III.2 Courant de seuil en fonction de la température. 9

12 III.2 CARACTERISATION EN COURANT PULSE La deuxième caractérisation mise en oeuvre correspond à la puissance optique du courant pulsé et en fonction de la température. On évite ainsi l échauffement du VCSEL, le courant maximum en pulsé est fixé à 18 ma et la température minimale est de 10 C ; on reste donc dans les mêmes conditions que dans l'étude précédente (courant continu). Figure III.3 Puissance optique en fonction de la température. Les courants de seuil obtenus sont montrés dans le tableau III.2 ; comme dans le cas précédent (courant continu), la formule des lasers à émission par la tranche n est toujours pas valide. T C I th (ma) Tableau III.2 Courants de seuil obtenus. Les courants de seuil varient peu en fonction de la température : à basse température, l énergie à fournir pour obtenir l effet laser diminue. En effet l agitation thermique devient faible. 10

13 I th = 0,0003 T² + 0,0267 T + 3,8289 Figure III.4 Courant de seuil en fonction de température. A forts courants et à fortes températures, nous observons un phénomène inattendu. Il est dû au changement d indice de réfraction et à la déformation des miroirs de Bragg. La direction du faisceau est déviée par rapport au faisceau initial. 0.2 Variation de la Puissance optique en fonction du courant à 40 C Avant alignement Après alignement 0.14 Puisssance optique en mw Intensité en ma Figure III.5 Tracé avant et après alignement du banc. 11

14 La tache créée par les faisceaux lasers se déplace vers le centre de la photodiode, ce qui entraîne une augmentation de la puissance optique reçue. Suite à cette observation, nous avons réaligner le blanc optique en vue de réaliser une nouvelle acquisition. La figure précédente confirme nos hypothèses. En raison du changement des alignements du blanc optique, les signaux détectés par la photodiode sont plus grands que le cas précédent. Nous obtenons bien la saturation au maximum de courant. III. 3 BILAN DE COURANT EN CONTINU ET EN PULSE Nous comparons les puissances optiques en courant pulsé et en continu en fonction de la température ambiante. Les changements de mode apparaissent dans deux cas, pour le même niveau de courant. En revanche, au niveau de la saturation, il existe des différences remarquables entre le courant pulsé et continu. C est l échauffement dans le VCSEL qui produit une saturation plus rapide en mode continu Comparaison à T = 25 C Continu Pulsé 0.2 Puisssance optique en mw Intensité en ma Figure III.6 Comparaison à T = 25 C du mode pulsé et continu. Les courants de seuil en continu et en pulsé pour la température ambiante montrent que la différence entre eux est quasiment négligeable. Toutefois, pour des variations plus importantes de la température, il est conseillé de se placer en régime pulsé. Ainsi, on diminue le temps de l échauffement de la structure. 12

15 Figure III.7 Courants de seuil en continu et en pulsé. Sur la figure suivante, nous avons représenté la puissance optique dans les deux régimes de fonctionnement. Ces courbes ne sont autres que les coupes des figures III.1 et III.3 pour un courant constant et égal à 10 ma. Il est évident que la puissance en continu, suivant la température considérée, est toujours inférieure à celle du mode pulsé. En mode continu, il y a échauffement de la structure et détérioration de la puissance émise. 0.2 Comparaison à I = 10 ma = Constante Variation en pulsé Variation en continu Puisssance optique en mw Température en C Figure III.8 Puissance optique en fonction de la température à 10 ma. 13

16 Lors de cette séance de travaux pratiques, nous avons approfondi la caractérisation des VCSELs. Par cette manipulation, nous avons pu extraire certaines informations importantes. Ainsi, un laser à cavité verticale peut fonctionner selon deux régimes : le mode pulsé et le mode continu. Après comparaison des résultats, on peut affirmer que le mode pulsé est préférable au mode continu. En effet, l échauffement de la structure est réduit si on génère des impulsions en courant. Le seuil laser est quasiment constant sur une assez grande plage de température. Cette caractéristique permet d utiliser les VCSELs en milieux difficiles. On a donc vérifier un des avantages des VCSELs par rapport aux diodes lasers classiques. Une saturation apparaît lorsqu on injecte trop de courant. Le confinement électrique n est plus parfait. En continu et pour de fortes températures, ce phénomène apparaît rapidement. De plus, la puissance optique délivrée par le laser est inférieure en mode continu. Ces composants que nous avons utilisés ne sont pas parfaits : on peut aujourd hui concevoir des VCSELs avec un courant de seuil de quelques microampères (contrairement à ici où I th ~ 4 ma). Le domaine des lasers à cavité verticale est toujours en effervescence. On a démontré que de nombreux avantages peuvent être trouvés aux VCSELs mais des zones d ombre doivent être exploitées. Ainsi, l augmentation de la puissance permettrait de développer de «réelles» communications optiques. De plus, si on parvient à émettre dans les fenêtres de transmission des fibres optiques (1,3 et 1,5 µm), on aura réalisé un parfait émetteur/récepteur pour les communications. 14

17 BIBLIOGRAPHIE 1. «Vertical cavity surface emitting lasers» - T.E. Sale 1995 Ed. John Wiley & Sons Inc. 2. «Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers» - C. Wilmsem, Henryk Temkin et L.A. Coldren 1999 Ed. Cambridge University Press. 3. «Conception, élaboration sous contrôle optique en temps réel, fabrication et caractérisation de lasers à cavité verticale (VCSELs) pour l émission à 840 nm» - Frédéric Van Dijk 2 décembre 1999 Rapport Laas numéro «Mise au point d une méthode d imagerie champ proche / champ lointain de VCSELs» - Jérôme Polesel Maris juin 2001 Rapport interne du Laas. 5. «Temperature dependence of the near-threshold emission wavelength and linewidth in a vertical-cavity surface emitting laser (VCSEL)» - Y. Boucher, A. Rissons et J.C. Mollier SIOE 9-11 avril

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