Composants photoniques Chapitre 4 : Lasers 4.2. Lasers à semi-conducteurs
LASERS à semiconducteurs 4.2.1 Introduction
Qu est-ce qu un laser? LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser = oscillateur optique 3
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
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VCSEL: Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Contrôle des épaisseurs à qques Å près!! 6
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LASERS à semiconducteurs 4.2.2 Structure laser
Qu est-ce qu un laser? LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser = oscillateur optique 9
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
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
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
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
Lasers à semiconducteurs Double Hétérostructure W ~ 100 nm ΔE g Confinement des porteurs Δn Confinement optique 14
Lasers à semiconducteurs Confinements séparés Confinement optique W ~ 100 nm E BC Confinement porteurs W ~ 10 nm Structures à puits quantiques 15
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
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
Lasers à semiconducteurs Seuil laser Faible pompage: Absorption Émission spontanée Diode électroluminescente au mieux 18
Lasers à semiconducteurs Seuil laser Fort pompage: Absorption Émission stimulée Au dessus du seuil: émission stimulée > absorption Laser!! 19
LASERS à semiconducteurs 4.2.3 Seuil laser
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
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
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
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
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
LASERS à semiconducteurs 4.2.4 Puissance émise
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
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
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
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
Exemple: diode laser à GaSb (CEM2) 100 20 C, 30 C,..., 100 C Puissance optique (mw) 80 60 40 20 1 µs, 10 KHz 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Courant (ma) P(I) pour différentes températures (diode : 1 mm x 100 µm) 31
Exemple: diode laser à GaSb (IES) On en déduit: η d 0.38 0.36 0.34 0.32 0.3 0.28 0.26 0.24 T 1 =278 K T 1 =144 K 500 450 400 350 300 250 Courant de seuil (ma) 0.22 T 0 =87 K T 1 =50 K 200 0.2 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 Température (K) 32
LASERS à semiconducteurs 4.2.5. Spectre d un laser Fabry-Pérot
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
Espacement intermodes dans une cavité Fabry-Pérot 1 2 R 1 4 3 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
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
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 = 1.1994 µm et λ = 1.2006 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
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
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
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