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Séminaire SupAéro – Technologie des circuits optiques et optoélectroniques
VCSEL S
C ARACTERISTIQUES
EN CONTINU ET EN PUL SE
présenté par
NICOLAS RIVIERE
DEA MICRO ONDES & TRANSMISSIONS OPTIQUES – © 2001-02
Caractérisation de VCSELs
Nicolas Rivière – 2002
SOMMAIRE
Introduction ................................................................................................................. 1
I. Présentation des VCSELs ........................................................................................ 2
1. Fonctionnement d’un laser ............................................................................ 2
2. Description des VCSELs ............................................................................... 3
3. Avantages des VCSELs ................................................................................. 4
II. Banc de mesure ....................................................................................................... 6
1. Mise en œuvre de la mesure .......................................................................... 6
2. Conception du banc de mesure ...................................................................... 7
III. Résultats expérimentaux ...................................................................................... 8
1. Caractérisation en courant continu ................................................................ 8
2. Caractérisation en courant pulsé ................................................................... 10
3. Bilan de courant en continu et en pulsé ........................................................ 12
Conclusion ................................................................................................................... 14
Bibliographie ............................................................................................................... 15
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Caractérisation de VCSELs
Nicolas Rivière – 2002
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 1979. 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.
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Caractérisation de VCSELs
Nicolas Rivière – 2002
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
Miroir 2
Milieu actif
hν
L
99,9 %
99 %
Figure I.1 – Principe général d’un laser.
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 :
L =k⋅
…avec L
Longueur de la cavité
λ
Longueur d’onde
n
Indice de réfraction
k
Nombre entier quelconque
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2
λ
2 ⋅n
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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
Ga1-x Alx 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).
Electrode positive
Zone
GaAs ou SiO2
Métallisation
Faisceau laser
Contact supérieur
Zone p
Ga1-x Alx As
Zone p
GaAs
Guidage du courant
Zone active p
GaAs
Zone n
Ga1-x Alx As
Métallisation
Puits quantiques
Miroirs de Bragg
Zone p GaAs
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 Ga1-x Alx 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 Ga1-x Alx As dont
l’élément de base est formé par une couche de haut indice (GaAs) et par une couche de bas
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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
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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 mic roampères. 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.
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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.
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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
Oscilloscope
Continu
Pulsé
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.
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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
courant continu pour différentes valeurs de températures. Pour éviter l’échauffement
VCSEL, le maximum de courant applicable est de 18 mA . De plus, en raison de problème
stabilisation à de basses températures, nous sommes limités à considérer un minimum
10 °C.
du
du
de
de
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.2 .
Variation de la Puissance optique en fonction du courant
0.18
T = 10°C
T = 15°C
0.16
T = 20°C
T = 25°C
T = 30°C
T = 35°C
0.14
T = 40°C
Puisssance optique en mW
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Intensité en mA
Figure III.1 – Puissance en fonction du courant.
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Caractérisation de VCSELs
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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 :
Ith (T2 ) = Ith (T1 ) . exp( (T2 -T1 )/T0 )
… avec
T1 , T2 différentes températures en Kelvin
T0
température caractéristique
Nous constatons que pour le VCSEL, cette formule n'est plus valide, car la température
caractéristique (T0 ) obtenue n’est pas constante (à l’erreur de mesure près).
T °C
Ith (mA)
10
4.28
15
4.35
20
4.48
25
4.73
30
5
35
5.21
40
5.5
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 T0 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 T0 .
Pour de fortes températures, le courant de seuil augmente. Ceci est dû à une agitation
thermique qui produit davantage d’émission spontanée.
Ith = 0,0007 T² + 0,0055 T + 4,1243
Figure III.2 – Courant de seuil en fonction de la température.
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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
Ith (mA)
10
4.12
15
4.28
20
4.47
25
4.69
30
4.88
35
5.05
40
5.35
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.
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Ith = 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.
Variation de la Puissance optique en fonction du courant à 40°C
0.2
0.18
Avant alignement
Après alignement
0.16
Puisssance optique en mW
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Intensité en mA
Figure III.5 – Tracé avant et après alignement du banc.
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Caractérisation de VCSELs
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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
0.25
Continu
Pulsé
Puisssance optique en mW
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
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.
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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.
Comparaison à I = 10 mA = Constante
0.2
0.18
0.16
Variation en pulsé
Variation en continu
Puisssance optique en mW
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Température en °C
Figure III.8 – Puissance optique en fonction de la température à 10 mA.
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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 Ith ~ 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.
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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 99546.
4. « 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 2001.
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