Lasers tout cristal photonique de type DFB du second

Cristaux photoniques et Nanophotonique
Lu3.1
LASERS TOUT CRISTAL PHOTONIQUE DE TYPE DFB DU SECOND ORDRE
EMETTANT A 990 NM.
Alexandre Larrue, Olivier Bouchard, Pascal Dubreuil, Jean-Baptiste Doucet,
Alexandre Arnoult, Antoine Monmayrant, Olivier Gauthier-Lafaye, Sophie Bonnefont,
et Françoise Lozes-Dupuy
LAAS-CNRS Université de Toulouse, 7 Avenue du Colonel Roch, 31077 Toulouse Cedex 4
[email protected]
RESUME
Des lasers tout cristal photonique émettant par la facette fabriqués dans le système
(In)GaAs/AlGaAs et fonctionnant en régime de pompage optique sont démontrés.
Nous montrons qu’une émission laser stable basée sur un point de fonctionnement de
type DFB du second ordre peut être obtenue en utilisant des guides de type W3 (3
rangées de trous manquant). Nous démontrons la faisabilité d’une ingénierie de la
longueur d’onde démission obtenue soit par modification du pas du cristal photonique
(accord grossier), soit par déformation affine du cristal (accord fin). Nous étudions la
sensibilité des cavités étudiées face aux conditions de pompage, à la longueur de
cavité, et nous analysons la possibilité d’utiliser des guides plus larges.
MOTS-CLEFS : lasers à semi-conducteur, cristal photonique, DFB.
1. INTRODUCTION
L’intégration de diodes laser dans un système reste un verrou conceptuel et technologique
indispensable à lever pour permettre le développement de systèmes optiques compacts et
miniatures. L’émergence des cristaux photoniques (CP) planaires pourrait ouvrir la voie pour la
première fois à une réelle intégration photonique et à des systèmes intégrés tout optique. Les
cristaux photoniques reposent sur une forte modulation spatiale de l’indice optique avec une période
de l’ordre de la longueur d’onde[1]. Ils ont été introduits initialement dans les microcavités pour le
contrôle de l’émission spontanée, et ont depuis conduit à la réalisation d’une très grande diversité de
structures photoniques [2, 3, 4, 5]. La technologie des cristaux photoniques planaires permet à ce
jour d’envisager la réalisation pratique de nouvelles générations de composants actifs. Ceux-ci
peuvent être classés selon deux catégories principales. Un premier axe d’étude particulièrement
actif concerne les micro-cavités présentant à la fois de forts facteurs de qualité Q et des volumes V
très faibles [6, 7, 8]. Ces micro-cavités à grand Q/V suscitent de vifs intérêts, notamment pour le
contrôle de l’émission spontanée et la réalisation de sources à photons uniques. Elles ont permis
d’atteindre des facteurs de qualité record de l’ordre de 106. Un deuxième axe de développement est
l’exploitation des cristaux photoniques pour la conception de lasers plus conventionnels (grand
volume V et facteur qualité usuel impliquant un Q/V faible). Cet axe reste peu exploré à l’heure
actuelle, et les travaux poursuivis dans cette voie reposent essentiellement sur une ingénierie de
guidage par la bande interdite photonique assez traditionnelle [9, 10, 11, 12, 13]. Nous avons choisi
d’explorer les caractéristiques de fonctionnement de cavité laser tout cristal photonique
fonctionnant en guidage par l’indice et sur un principe de type DFB[14, 15]. Nous avons déjà montré
que cette géométrie permet d’obtenir une émission monomode stable [16] et qu’une déformation
affine du cristal photonique permet une ingénierie fine de la longueur d’onde [17]. Nous nous
intéressons ici aux limites de cette méthode de déformation et nous analysons l’impact de la taille
finie de la cavité sur les performances du laser.
42
JNOG, Lannion 2008
Cristaux photoniques et Nanophotonique
Lu3.1
2. FABRICATION ET CARACTERISATION
Les cavités étudiées sont de type membranes tout cristal photonique. La structure de base est
réalisée par épitaxie par jets moléculaires (EJM). Celle-ci comprend 3 puits quantiques InGaAs
enterrés dans un guide d’onde de 260nm d’épaisseur en GaAs. Cette membrane est elle même
épitaxiée sur une couche sacrificielle d’Al0,8Ga0,2As de 1,5µm d’épaisseur. Les cristaux photoniques
sont définis par lithographie électronique dans une résine électrosensible (ZEP 520) et sont
transférés dans la structure par gravure sèche réactive de type ICP. La membrane est ensuite libérée
par gravure chimique sélective de la couche sacrificielle à l’aide d’une solution de HF dilué. La
figure 1 a) montre une membrane ainsi réalisée. Les échantillons étudiés sont ensuite clivés. La
caractérisation est effectuée sous pompage optique en utilisant un laser Q-switch Nd-YAG doublé à
532 nm. Les impulsions de pompe ont une durée ~10 ns répétées au kHz. Le faisceau de pompe est
focalisé selon une ellipse de ~20x500 µm perpendiculairement à la surface de l’échantillon.
L’émission de la facette est collectée par un objectif de microscope et focalisée sur la fente d’entrée
d’un spectromètre imageur de 30 cm de focale. Le spectre d’émission est enregistré pour plusieurs
puissances de pompe (fig. 1-b), permettant ainsi d’analyser simultanément la puissance émise en
fonction de la puissance de pompe (fig. 1-d) et la stabilité spectrale du laser (fig. 1-c).
a)
b)
c)
d)
Fig. 1 : a) extrémité d’une cavité laser observée en microscopie électronique à balayage, b) cartographie 2D
du spectre d’émission en fonction de la puissance de pompe, c) spectre d’émission à une puissance de pompe
fixée, d) évolution de la puissance sortie en fonction de la puissance de pompe.
3. RESULTATS EXPERIMENTAUX
La figure 2 montre l’évolution de la longueur d’onde centrale d’émission de deux familles de
lasers lorsque nous déformons le réseau du cristal photonique en lui imposant une déformation
affine d’axe perpendiculaire au guide. Nous avons ainsi deux variables d’ajustement de la longueur
d’onde d’émission. L’une, permettant un accord grossier, est le pas du cristal photonique, et l’autre,
permettant un ajustement fin, est la déformation affine.
Fig. 2 : Gauche : principe de la déformation affine ; Droite : évolution de la longueur d’onde d’émission en
fonction de la déformation affine pour deux périodes différentes du cristal photonique.
43
JNOG, Lannion 2008
Cristaux photoniques et Nanophotonique
Lu3.1
Les résultats expérimentaux obtenus permettent de valider le contrôle fin de la longueur
d’onde d’émission par la déformation affine du cristal prédit par des simulations FDTD 2D.
Cependant, on remarque que, pour certaines fréquences, les deux modes DFB sont couplés à un
troisième mode du cristal. Ce couplage est caractérisé par un anticroisement des branches, qui ne
laisse subsister à la fréquence initiale qu’un seul mode de cavité. Expérimentalement, ce point de
fonctionnement semble correspondre à des points auxquels nous observons des sauts de mode de la
cavité, celle-ci se mettant alors à émettre sur le second mode latéral du guide. Afin d’améliorer la
stabilité modale et fréquentielle de l’émission, nous examinons l’effet de la longueur de cavité et la
perturbation apportée par les miroirs de bout de guide. Enfin, nous analysons la pertinence d’utiliser
des guides plus larges (de type W5) pour améliorer les performances de ce type de cavité,
notamment en terme de puissance optique émise.
CONCLUSION
Les structures tout cristal photonique de type W3 permettent la réalisation de cavités de type
DFB du second ordre d’une bonne stabilité modale. Une ingénierie de la longueur d’onde
d’émission est possible en utilisant une déformation affine de la géométrie de la cavité. Le couplage
avec des modes du cristal et les effets parasites de réinjection optique aux facettes nuisent
néanmoins à la stabilité modale et fréquentielle de la cavité.
RÉFÉRENCES
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Yablonovitch E et al. "Photonic band structure: the face-centered-cubic case employing nonspherical
atoms." Physical Review Letters (1991) 67.
Krauss TF et al. "Waveguide microcavity based on photonic microstructures." IEEE Photonics
Technology Letters (1997) 9
Benisty H et al. "Photonic crystals in two-dimensions based on semiconductors: fabrication, physics and
technology." Applied Surface Science (2000) 164
Raineri F et al. "Tuning a two-dimensional photonic crystal resonance via optical carrier injection." Opt.
Lett. (2005) 30
Benisty, H et al. "Recent advances toward optical devices in semiconductor-based photonic crystals"
Proceedings of the IEEE, vol. 94, pp. 997-1023, 2006
Ryu HY et al. "Characteristics of single defect laser modes in a two-dimensional square lattice photonic
crystal slab." Journal of Applied Physics (2003) 93
Akahane Y et al. "High-Q photonic nanocavity in a 2D photonic crystal." Nature (2003) 425
Asano T et al. "Analysis of the experimental Q factors (~ 1 million) of photonic crystal nanocavities."
Optics Express (2006) 14
Happ TD et al. "Two-dimensional photonic crystal coupled-defect laser diode." Applied Physics Letters
(2003) 82.
Talneau A et al. "High external efficiency in a monomode full-photonic-crystal laser under continuous
wave electrical injection." Applied Physics Letters (2004) 85.
Checoury X et al. "Distributed feedback-like laser emission in photonic crystal waveguides on InP
substrate." IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (2005) 11(5).
Gauthier-Lafaye O et al.. "Highly monomode W1 waveguide square lattice photonic crystal lasers."
IEEE Photonics Technology Letters (2005) 17.
R. Brenot, et al. "Widely tunable photonic crystals lasers," in IEEE ISLC, 2006.
Checoury X et al. "Distributed feedback-like laser emission in photonic crystal waveguides on InP
substrate." IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (2005) 11(5).
Gauthier-Lafaye O et al.. "Highly monomode W1 waveguide square lattice photonic crystal lasers."
IEEE Photonics Technology Letters (2005) 17.
A. Larrue, et al., "Affine deformation of photonic crystal to fine control the emission wavelength of DFB
like laser," presented at EOS Topical Meeting on Diffractive Optics, Barcelone (Espagne), 2007.
A. Larrue et al., "Photonic crystal single-mode DFB laser array with precise frequency spacing,"
presented at CLEO, San Jose (USA), 2008
44
JNOG, Lannion 2008