vcsels - Web RIVIERE .fr

Séminaire SupAéro – Technologie des circuits optiques et optoélectroniques
présenté par
NICOLAS RIVIERE
DEA MICRO ONDES & TRANSMISSIONS OPTIQUES – © 2001-02
VCSELVCSEL
SS
CCARACTERISTIQUESARACTERISTIQUES
EN CONTINU ET EN PULEN CONTINU ET EN PULSESE

Caractérisation de VCSELs Nicolas Rivière – 2002
Consultez le http://www.nriv.free.fr pour plus de renseignements…
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

Caractérisation de VCSELs Nicolas Rivière – 2002
Cliquez www.nriv.free.fr pour plus de renseignements…
1
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.

Caractérisation de VCSELs Nicolas Rivière – 2002
Cliquez www.nriv.free.fr pour plus de renseignements…
2
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.
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 :
n2
kL⋅
λ
⋅=
…avec L Longueur de la cavité
λ Longueur d’onde
n Indice de réfraction
k Nombre entier quelconque
Source de pompage
Milieu actif
Miroir 2
Miroir 1
99 %
99,9 %
hν
L

Caractérisation de VCSELs Nicolas Rivière – 2002
Cliquez www.nriv.free.fr pour plus de renseignements…
3
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-xAlxAs. 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).
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-xAlxAs. 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-xAlxAs dont
l’élément de base est formé par une couche de haut indice (GaAs) et par une couche de bas
Faisceau laser
Contact supérieur
Contact inférieur
Puits quantiques
Guidage du courant
Miroirs de Bragg
Electrode négative
Electrode positive
Zone p GaAs
Zone n
Ga1-xAlxAs Métallisation
Zone active p
GaAs
Zone p
GaAs
Métallisation
Zone
GaAs ou SiO2
Zone p
Ga1-xAlxAs
a) b)