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40 MATERIAUX ET COMPOSANTS PHOTONIQUES POUR LES TRANSMISSIONS OPTIQUES II
Vendredi 26/11, 10h20 FOTON 2004 Article 9H
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Christophe LEVALLOIS1, Alain LE CORRE1, Slimane LOUALICHE1, Olivier DEHAESE1, Hervé FOLLIOT1,
Christophe LABBÉ1, Françoise THOUMYRE1, Laurent DUPONT2,
Jean-Louis DE BOUGRENET DE LA TOCNAYE2
Groupement d’Intérêt Scientifique FOTON
1Laboratoire d’Etudes des Nanostructures à Semiconducteurs/INSA Rennes, UMR CNRS 6082
2Département d’Optique, ENST Bretagne/GET, CNRS UMR 6082
[email protected]
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Le VCSEL accordable, autour de 1,55µm est essentiel pour le développement des réseaux
à courtes et moyennes distances multiplexés en longueur d'onde. La zone active du
composant est à base de puits quantiques InGaAs/InGaAsP sur substrat InP. Pour obtenir
l'accordabilité on insère dans la cavité laser un matériau électro-optique qui répond par
une variation d'indice à une commande électrique. Dans ce travail nous avons d'abord
traité le cas de la cavité verticale pompée optiquement. Nous avons étudié et réalisé un
miroir diélectrique avec des matériaux à fort contraste d'indice (Si et SixNy). Ce miroir
atteint une réflectivité de 99,5% et une bande passante spectrale de 800nm avec
seulement 5 paires de couches. Il a été testé sur une demi cavité verticale réalisée en MBE
qui a atteint l'effet laser en pompage optique.
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Le laser vertical (VCSEL) final accordable visé sera constitué d'une demi cavité dont la
croissance est réalisée en MBE. Il comprend un miroir en semiconducteur et une zone active à base de
puits quantiques. La cavité est ensuite fermée par la zone de phase en cristal liquide (nano-PDLC)
suivi d'un miroir de Bragg diélectrique (Si/SixNy) dont le fort contraste d'indice ( Q=1,9) permet de se
limiter à un dépôt de 5 paires (cf. Fig. 1). Une collaboration entre l'INSA et l'ENSTB a déjà fait l'objet
d'un VCSEL accordable à base de nano-PDLC [1,2,3]. Le pompage optique (à 1,064µm) et la collecte
de l'émission s'effectue par le miroir diélectrique. La zone active d'une épaisseur optique de 1,5 
comprenant 21 puits quantiques (MQW), est déposée sur un miroir de Bragg en semiconducteur
(InP/In0,8Ga0,2As0,8P0,2) de 40 paires. Dans cette première partie du travail nous avons abordé l'étude
des miroirs et de la cavité laser. La zone active, dans sa conception, est optimisée pour rendre efficace
le couplage entre la lumière et les transitions optiques dans les MQW, grâce au placement des MQW
aux ventres du champ électromagnétique. Les couches de diélectriques pour les miroirs sont déposées
par sputtering. Les conditions de dépôt ont été optimisées pour avoir des structures reproductibles,
stables dans le temps et présentant des pertes optiques faibles. Nous avons utilisé les conditions
expérimentales donnant une texture homogène dont le contrôle a été assuré par microscope
électronique à balayage (MEB).
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A ce stade du développement, l'accent a été mis sur l'optimisation du miroir de Bragg
diélectrique. Les matériaux utilisés (Si/SixNy) pour la réalisation du miroir de Bragg diélectrique
affiche un contraste d'indice de Q=1,9. Il est alors possible d'obtenir un coefficient de réflexion de
99,5% et une bande passante supérieure à 800nm avec seulement 5 paires de couches (cf. Fig. 1).
Cette réflectivité est cependant limitée par l'absorption optique du Si ( ≈300cm-1 ) qui reste malgré

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tout conforme aux valeurs trouvées dans la littérature[4]. La pulvérisation cathodique, utilisée pour la
réalisation de ce dépôt, est une technique de dépôt relativement simple. Elle permet, grâce une cible
unique en silicium, de déposer successivement Si et SixNy en changeant simplement la concentration
en azote du plasma. La mesure des indices des couches déposées est nécessaire afin d’en maîtriser
leurs épaisseurs dans le miroir de Bragg. Ainsi, l'utilisation du FTIR (Transformée de Fourrier Infra
Rouge) et d'une simulation de la transmission optique a permis de déterminer les indices de chacune
des couches étudiés afin d’ optimiser les épaisseurs déposées. La texture des grains de Si observée au
MEB est homogène et ne présente pas de défauts (cf. Fig. 1). De plus, on a noté une stabilité
remarquable des indices des matériaux et de la réflectivité de ce miroir durant les 6 derniers mois.
Enfin, le dépôt sur un substrat de verre permet de faire un report du miroir sur la demi-cavité
semiconductrice pour une caractérisation rapide du VCSEL.
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Ainsi, l'association par simple contact de la demi cavité semiconductrice et du miroir de Bragg
diélectrique a permis d'obtenir l'effet laser. Nous avons pu observer une raie laser centré vers
1,4915µm et tracer l'évolution de la puissance optique moyenne émise en fonction de la puissance
crête de la pompe (cf. Fig. 2).
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Les premiers résultats montrent que le miroir de Bragg diélectrique (Si/SixNy), d'une réflectivité
de 99,5% et d'une bande passante spectrale de 800nm, est fonctionnel. Ainsi, l'utilisation de ce miroir
avec la demi cavité décrite précédemment montre la faisabilité d'un VCSEL accordable en longueur
d'onde. La réduction des puissances optiques au seuil est attendue en diminuant l'absorption dans les
couches de Si et en déposant directement les couches diélectriques sur la demi cavité semiconductrice.
Il sera aussi possible d'augmenter la réflectivité du miroir de Bragg de fond de cavité en choisissant
des matériaux qui offrent un plus grand contraste d'indice: Bragg diélectrique ou encore Bragg
semiconducteur (AlGaInAs/InP).
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[1] V.VERBRUGGE, "Étude de dispositifs optiques à micro-cavité verticale pour l'utilisation dans un
module multi-longueur d'onde.", 7KqVHGH'RFWRUDWGHO,16$GH5HQQHV-DQYLHU.
[2] V.VERBRUGGE, J-L.DE BOUGRENET DE LA TOCNAYE, L.DUPONT, “C-Band Wavelength-Tuneable
Vertical-Cavity Laser Using a Nano Polymer Dispersed Liquid Crystal Material.”, 2SWLFV
&RPPXQLFDWLRQVYROSS.
[3] V.VERBRUGGE, L.PLOUZENNEC, A.LE CORRE, “A Smart Pixel Based on a Double VCSEL for
Free Space Optical Interconnects.”, 2SWLFV&RPPXQLFDWLRQVYROSS.
[4] B-S.RICHARDS, A-B.SPROUL, A.LAMBERTZ, "Optical Charactersation of Sputtered Silicon Thin
Films on Glass", QG:RUOG&RQIHUHQFHDQG([KLELWLRQRQ3KRWRYROWDLF6RODU(QHUJ\&RQYHUVLRQ
9LHQQD$XVWULD6 - 10 July 1998