Composants photoniques

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1 Composants photoniques Chapitre 4 : Lasers 4.2. Lasers à semi-conducteurs

2 LASERS à semiconducteurs Introduction

3 Qu est-ce qu un laser? LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser = oscillateur optique 3

4 Lasers à semiconducteurs Milieu amplificateur: semiconducteur Cavité: faces clivées, mirroir, cavité externe Pompage: injection électrique, pompage optique 0.1 à 3 mm qques µm qques µm Face clivée Semi-réfléchissante Mirroir 4

5 5

6 VCSEL: Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Contrôle des épaisseurs à qques Å près!! 6

7 7

8 LASERS à semiconducteurs Structure laser

9 Qu est-ce qu un laser? LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser = oscillateur optique 9

10 Qu est-ce qu un laser? L effet laser repose sur l intl intéraction du milieu amplificateur avec le rayonnement (avec le champ électromagnétique). tique). Condition sine qua non pour avoir effet laser? Inversion de population!!! 10

11 Construction d un laser à semiconducteur Il faut favoriser: L accumulation de porteurs dans la zone de recombinaisons (zone active): «confinement des porteurs» Objectif: inversion de population Le recouvrement du champ électromagnétique et de la zone active: «confinement optique» Objectif: intéraction milieu / rayonnement 11

12 Lasers à semiconducteurs Pompage: injection électrique Jonction p i n polarisée en direct Structure type «cascade» (unipolaire) Recombinaisons (radiatives!) dans la zone i Zone i = zone active 12

13 Lasers à semiconducteurs Amplification dans la zone active si: Recombinaisons dans zone active: Confinement des porteurs (i.e., e et h) ds zone active Propriété: gap Champ électromagnétique dans zone active: Confinement des photons dans zone active Propriété: indice de réfraction 13

14 Lasers à semiconducteurs Double Hétérostructure W ~ 100 nm ΔE g Confinement des porteurs Δn Confinement optique 14

15 Lasers à semiconducteurs Confinements séparés Confinement optique W ~ 100 nm E BC Confinement porteurs W ~ 10 nm Structures à puits quantiques 15

16 Exemple de structure laser Substrat Couches de confinement Guide d'onde Zone active Couche de contact Grand gap Gap intermédiaire Petit gap Dopage facile Notez la complexité.d un laser simple!! 16

17 Laser à semiconducteurs? Composant «laser» Injection de courant Puissance lumineuse émise Spectre d émission Cavité Pompage Milieu amplificateur N.B.: pour certaines applications, pompage optique 17

18 Lasers à semiconducteurs Seuil laser Faible pompage: Absorption Émission spontanée Diode électroluminescente au mieux 18

19 Lasers à semiconducteurs Seuil laser Fort pompage: Absorption Émission stimulée Au dessus du seuil: émission stimulée > absorption Laser!! 19

20 LASERS à semiconducteurs Seuil laser

21 Population de porteurs L équation d évolution de la population d électrons dans la zone active s écrit : dn/dt = G gen - R G gen = taux d injection des e - dans la zone active (composant alimenté par courant I) G gen = η i I/qV η i rendement quantique interne = fraction de porteurs injectés qui atteignent la zone active. V = volume zone active 21

22 Population de porteurs R = taux de recombinaison des e - R = AN + BN 2 + CN 3 + R st (N) L ensemble des processus spontanés est caractérisé par une durée de vie, τ: Si processus spontanés seuls: dn/dt = - N/τ Ou encore: N/ τ = AN + BN 2 + CN 3. 22

23 Population de porteurs On peut donc écrire: dn/dt = G gen - R G gen = η i I/qV R=N/τ + R st R = AN + BN 2 + CN 3 + R st dn/dt = η i I/qV N/τ R st. 23

24 Seuil laser Sous le seuil: R st = 0 Régime stationnaire: dn/dt = 0 R rec = AN + BN 2 + CN 3 = N/τ 0 = η i I/qV N/τ. A la limite du seuil: (AN + BN 2 + CN 3 ) th = N th /τ η i I th /qv = N th /τ = (AN + BN 2 + CN 3 ) th 24

25 Seuil laser Au seuil: η i I th /qv = N th /τ = (BN 2 + AN + CN 3 ) th Expérimentalement: on injecte le courant d'intensité I I th = qvn th /τη i = qv(an+ BN 2 + CN 3 ) th /η i Pour diminuer le courant de seuil il faut: Augmenter la durée de vie des porteurs τ Diminuer les pertes diverses Qualité du matériau Augmenter η i Qualité du matériau Technologie du composant Diminuer la densité de porteurs au seuil N th bandgap engineering: contrainte,.. Diminuer le volume de la zone active V Nanostructures!! 25

26 LASERS à semiconducteurs Puissance émise

27 Caractéristique Puissance - courant ηd = q hν ΔP ΔI η d = nombre de photons émis par électron injecté η d est obtenu à partir de la caractéristique P(I) 27

28 η i = rendement quantique interne α i = pertes internes On sait maintenant comment mesurer η d d après la caractéristique Puissance émise = f(courant injecté). Or, on peut montrer : ηd = ηi FP ( ) α i α + α FP Avec α FP = 1/2L ln (1/R 1 R 2 ), R 1,2 = réflectivités des miroirs. Donc: ln ηd= ηi Lαi+ ( 1 ) R ln ( 1 ) R (diodes planes avec R 1 = R 2 = R) 28

29 η i = rendement quantique interne α i = pertes internes ln ηd= ηi Lαi+ ( 1 ) R ln ( 1 ) R αi ηi 1 = ( ) L+ 1 ηd ln 1 ηi R On peut donc calculer α i et η i à partir des caractéristiques P(I) obtenues pour une série de diodes de longueurs différentes: L ordonnée à l origine donne η i La pente permet alors d obtenir α i 29

30 Températures caractéristiques Les performances des lasers se dégradent quand la température augmente. On définit deux "températures caractéristiques" empiriques qui sont des critères de qualité des lasers. Le seuil laser augmente avec la température I th = I 0 exp(t/t 0 ) Le rendement différentiel externe diminue avec la température: η d = η 0 exp(-t/t 1 ) 30

31 Exemple: diode laser à GaSb (CEM2) C, 30 C,..., 100 C Puissance optique (mw) µs, 10 KHz Courant (ma) P(I) pour différentes températures (diode : 1 mm x 100 µm) 31

32 Exemple: diode laser à GaSb (IES) On en déduit: η d T 1 =278 K T 1 =144 K Courant de seuil (ma) 0.22 T 0 =87 K T 1 =50 K Température (K) 32

33 LASERS à semiconducteurs Spectre d un laser Fabry-Pérot

34 Spectre d'un laser à cavité Fabry-Pérot C'est le produit du gain par le peigne du Fabry-Pérot. Milieu amplificateur Cavité Δλ Milieu amplificateur + Cavité 34

35 Espacement intermodes dans une cavité Fabry-Pérot 1 2 R L R 2 2nL = mλ m m = 2nL/ λ m Si on considère n = cste: λ = 2nL m d = 2nL dm m dλ dm 2nL = m m m m 2 2 λ λ λ d m dm = 2 m 2nL Espacement intermodes: Δλ= λ 2 /2nL 35

36 Lasers à semiconducteurs Milieu amplificateur: semiconducteur Cavité: faces clivées, mirroir, cavité externe Pompage: injection électrique, pompage optique 0.1 à 3 mm qques µm qques µm Face clivée Semi-réfléchissante Mirroir 36

37 Modes dans une cavité Fabry-Pérot Exemple: laser à émission par la tranche Valeurs typiques pour une diode laser FP à émission par la tranche: λ ~ 1.2 µm, L= 400 µm, n=3. Quelle est la valeur de m? m = 2000 Que vaut λ si m varie de ± 1? λ = µm et λ = µm, Δλ= λ 2 /2nL = 0.6 nm Conclusion? Le laser va émettre sur de nombreux modes très proches. Laser FP à émission par la tranche = laser multimode 37

38 Modes dans une cavité Fabry-Pérot Exemple: VCSEL Valeurs typiques pour un VCSEL: λ ~ 1.2 µm, L= 1 µm, n=3. Que vaut m? m = 5 Que vaut λ si m varie de ± 1? λ = 1.5 µm et λ = 1.0 µm. Conclusion? Le laser va émettre sur un seul mode de la cavité. VCSEL=laser monomode 38

39 Spectre d'un laser à cavité Fabry-Pérot Laser à émission par la tranche: nombreux modes dans la courbe de gain: laser multimode. VCSEL: un seul mode dans la courbe de gain: laser monomode. 39

40 Spectre d'un laser à cavité Fabry-Pérot Laser à émission par la tranche: nombreux modes dans la courbe de gain: laser multimode. VCSEL: un seul mode dans la courbe de gain: laser monomode. 40