Réalisation d`un VCSEL à pompage électrique, accordable en

Amplificateurs et Lasers à semi-conducteurs
Lu2.3
REALISATION D’UN VCSEL A POMPAGE ELECTRIQUE, ACCORDABLE EN
LONGUEUR D’ONDE POUR LA BANDE C
J-M.Lamy1, O.Castany2, C.Paranthoen1, C.Levallois1, A.Nakkar1, H.Folliot1, O.Dehaese1,
A.Le Corre1, S.Loualiche1, L.Dupont2, K.Sathaye2
1
2
Laboratoire Foton CNRS UMR 6082, INSA, CS 14315 35043 Rennes Cedex
Laboratoire Foton, CNRS UMR 6082, Telecom Bretagne, CS 83818, 29238 Brest Cedex 3
[email protected]
RESUME
L’objectif est de réaliser des Lasers à émission verticale à 1,55µm, accordables en
longueur d’onde et à pompage électrique. La structure de ces composants est
constituée d’une zone active sur InP, d’une zone d’accordabilité intra cavité en
composite à cristal liquide et de deux miroirs de Bragg. Cet article présente le
process technologique utilisé pour fabriquer ce composant.
MOTS-CLEFS : LASER, VCSEL, Cristaux liquides, PDLC,
1. INTRODUCTION
L’objectif du projet est la réalisation d’un laser accordable à émission verticale en pompage
électrique. Ces composants correspondent à un besoin réel pour les réseaux utilisant le multiplexage
en longueur d’onde (Wavelength Division Multiplexing, WDM). La micro cavité comprend une
zone active à puits quantiques, une zone de phase intra cavité à base de cristaux liquides dispersés
dans du polymère et deux miroirs de Bragg diélectriques [1]. L’originalité de cette approche se situe
dans la convergence de trois technologies : matériaux III-V, cristal liquide et report par Flip Chip.
2. LA DEMI-CAVITE
La demi-cavité est réalisée sur substrat d’InP. Afin de réduire la résistance électrique et les pertes
optiques, les trous sont injectés à travers une jonction tunnel N++/P++. La réalisation de la demicavité à base de matériaux III-V comprend deux étapes d'épitaxie et une étape de gravure
définissant la localisation de la jonction tunnel enterrée (Fig. 1-2).
Figure 1 : Représentation schématique de la
structure après reprise d’épitaxie
Figure 2: Photographie MEB de la structure après
reprise d’épitaxie
Celle-ci assure une injection électrique localisée et l'obtention d'un laser monomode transverse. La
structure de la demi-cavité a été définie à partir de la modélisation optique et électrique du VCSEL.
3. REPORT PAR FLIP-CHIP
L’hybridation par micro-billage indium nécessite de définir les zones de mouillages (Under Bump
Metalization, UBM) permettant la brasure du composant. Le microbillage indium est réalisé au-
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dessus des plots de reprise sur le substrat silicium après le dépôt des métallisations à base
d’aluminium définissant le réseau d’interconnexion. Ces plots sont obtenus après le dépôt d’une
couche de passivation (Si3N4). Cette technologie permet d’assurer, lors du report, une précision
d’alignement inférieure à 0,2 micron. L’échantillon III-V est découpé par sciage et chaque puce de
dimension 400x400 µm2 est reportée face contre champ par process Flip-Chip. On procède ensuite
au retrait du substrat d’InP pour ne conserver que la structure III-V épitaxiée. Cette technique de
report sur substrat silicium a l’avantage de simplifier considérablement la connectique électrique
ainsi que le couplage à une fibre optique.
4. LA ZONE DE PHASE INTRA CAVITE
L’insertion d’une zone de phase intra-cavité est la technique la plus simple pour réaliser un LASER
VCSEL accordable en longueur d’onde. Cette zone doit induire un déphasage indépendamment de
l’état de polarisation du mode d’émission LASER. Pour cela le matériau nano-PDLC (Polymer
Dispersed Liquid Crystal) a été retenu [2]. C’est un matériau composite : cristal liquide + polymère
obtenu par photo-polymérisation qui possède un effet électro-optique indépendant de la
polarisation. La concentration en polymère du matériau est assez importante (≈70%), si bien qu’il
présente une bonne tenue mécanique qui lui permet de ne pas devoir être confiné entre deux
substrats rigides.
LC + NOA81 + NOA65
LC + NOA81
Figure 4a-4b : Plots de nano-PDLC observés au
profilomètre
Figure 3.a : Stucture du nano-PDLC (MEB)
Figure 3.b : Effet electrooptique : déphasage en
fonction du champ électrique appliqué
Cette concentration en polymère autorise l’encapsulation du cristal liquide sous forme de
gouttelettes de taille inférieure au micron (Fig 3.a-3b) pour limiter les effets de diffusion intra
cavité. Une accordabilité de 10 nm, pour une épaisseur de 6µm de nano-PDLC, a été mise en
évidence dans une structure pompée optiquement [3].
La zone de phase est réalisée sur la demi-cavité laser puis on vient ensuite déposer le deuxième
miroir sur le matériau électro-optique (Fig. 4a-4b). Deux types de miroir sont en évaluation : miroir
SiO2/TiO2 et miroir Si/SiNx. Le système complet est le suivant (Fig 5):
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Au
ITO
miroir
5µ
0.7µ
Nano-PDLC cristal
Liquide
InP de phase
Zone active ~ 550nm
miroir
Passivation Si3N4
Circuit de
connexion
Substrat de silicium
Figure 5 : Dispositif VCSEL accordable
5. PERSPECTIVES D’EVOLUTION DU COMPOSANT
Un des objectifs pour ce composant est d’augmenter la plage d’accordabilité en utilisant du cristal
liquide pur (phase nématique). Dans cette configuration pour obtenir un effet électrooptique, la
polarisation de l’onde électromagnétique [4] doit être fixée et alignée sur le directeur (l’axe
extraordinaire) du cristal liquide. Des études montrent qu’en utilisant des fils quantiques d’InAs sur
InP (Fig 6), on génère une anisotropie de gain dans le VCSEL, ce qui permet de contrôler la
polarisation [5]. La figure 7 montre le spectre à TA d’un laser à émission par la tranche
comprenant 3 x 6 plans de FQs suivant les orientations de polarisation [1-10] et [110].
L’insert représente la puissance de sortie en fonction de la puissance optique d’excitation
pour les deux orientations de polarisation. L’émission laser est fortement polarisée suivant la
-20
-40
-60
Intensity in dB (arb. unit)
Output intensity in dB (arb. unit.)
direction des fils quantiques [1-10], avec un coefficient d’extinction supérieur à 25 dB.
La modulation d’indice de la phase nématique dans l’infrarouge est de l’ordre de δ n ≅ 0 ,1 . Cette
valeur de modulation d’indice est une décade au-dessus de celle obtenue avec le nano-PDLC, ce qui
autorise une accordabilité beaucoup plus importante pour des champs appliqués plus faibles.
polarizer along [1-10]
polarizer along [110]
[1-10]
[110]
30
> 25 dB
20
10
0
15
20
25
30
35
40
Optical excitation power (mW)
-80
(a)
(b)
-100
1.600
1.605
1.610
1.615
1.620
Wavelength (µm)
Figure 6 : Image AFM des fils quantiques d’InAs sur Figure 7 : Spectres d’un laser à FQs suivant les
substrat InP(001)
polarisations [1-10] (a) et [110] (b) pour Pexc=30mW.
Insert : Ps en fct de Pexc suivant les deux polarisations.
CONCLUSIONS
Cette étude est réalisée dans le cadre du projet ANR : Lambda-Access N°06 TCOM 024. La
structure réalisée a permis de mettre en évidence une accordabilité en longueur d’onde de 10 nm qui
peut potentiellement être étendue à une plus large gamme. De plus, la technologie pour réaliser ce
type de composant est compatible avec une fabrication de masse, ce qui permet d’obtenir des
composants bas-coût et compacts.
REFERENCES
M. B. Tayahi et al., “High volume production of single mode VCSEL” Proc. SPIE, vol 6132, 613202, 2006.
S. Matsumoto et al., ,”Tunable Wavelength filter nano-sized droplets of liquid crystal”, IEE Photonic
Technology Letters, Vol.11 (4), pp.442 - 444 (1999)
[3] 17. C. Levallois et al., “Long-wavelength Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser using an electro-optic
index modulator with 10-nm tuning range”, Applied-Physics-Letters; 89(1): pp.11102-1-3, (2006)
[4] C. J. Chang-Hasnain et al., “Polarization characteristics of quantum well vertical cavity surface emitting
lasers”, Electron. Lett., vol 27, pp 163-165, 1991
[5] J. M. Lamy et al., “InAs quantum wires on InP substrate for VCSEL applications”, IPRM 2008, WeA1.6
[1]
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