b Confinement de l’axe lent (axe parallèle)

Comme nous avons pu le voir dans le paragraphe précédent, le comportement monomode du mode optique émettant dans la cavité laser selon l’axe rapide est déterminé par l’empilement des couches épitaxiées. Néanmoins, le mode optique n’est pas confiné dans l’axe lent : il présente alors un aspect multimode. Pour confiner le mode dans ce plan, il faut arriver à créer une différence d’indice optique qui jouera le rôle d’un guide d’onde et donc confinera le mode optique. Cette différence d’indice est réalisée en gravant un ruban dans la structure laser, ce qui aura pour effet de confiner et de guider le courant et la lumière selon l’axe du ruban (Figure II.3-12).

Figure II.3-12 : Schéma d’une diode laser Fabry-Perot à ruban étroit

II.3.2.b.i Principe du guidage

Le guidage par l’indice est obtenu par un profil d’indice effectif de réfraction présentant un maximum au centre de la région active (Figure II.3-13). Pour assurer ce type de profil d’indice, une épaisseur non uniforme dans la direction latérale est donnée aux couches supérieures de confinement. Le principe est le suivant : selon l’endroit où se situe le mode, sous le ruban ou sur le côté latéral, l’empilement des couches que le mode voit est différent, ce qui modifie la valeur de son indice effectif. Ainsi, l’indice effectif du mode sous le ruban sera plus important que sur les côtés du ruban et donc le mode sera guidé par cette différence d’indice. On estime que le mode commence à être guidé à partir d’une différence d’indice de l’ordre de 10^-3. Ce type de laser à guidage par l’indice est communément appelé « shallow ridge » car la gravure du ruban s’arrête avant la zone active : le puits n’est pas gravé.

Figure II.3-13 : Principe de l’indice effectif

Un autre type de guidage est également utilisé pour obtenir un faisceau monomode, il s’agit du guidage par le gain. Dans ce cas, la gravure du ruban traverse toutes les couches jusqu’au substrat de la structure épitaxiée. Ainsi, les porteurs se retrouvent localisés dans le ruban et assurent le confinement du mode optique : ce type de laser est appelé « deep ridge ».

Néanmoins, dans le cas d’un laser shallow ridge, les porteurs se retrouvent également localisés sous le ruban mais en s’étalant (contrairement au laser deep ridge). De par ce confinement des porteurs, le guidage de l’onde est également favorisé par la densité de porteurs qui jouera un rôle important pour le confinement du mode au seuil de l’émission laser.

Notre étude portera sur les diodes lasers de type shallow ridges. II.3.2.b.ii Simulation du confinement optique

Comme nous venons de le voir, le caractère monomode du faisceau selon l’axe lent dépend de la gravure du ruban et, plus précisément, de sa profondeur dans la structure. Un second paramètre est à prendre en compte, la largeur du ruban qui définit, en fonction de la différence d’indices effectifs, le nombre de modes existants dans le guide d’onde latéral. De façon générale, la profondeur de gravure du ruban définit la différence d’indice du guide d’onde de l’axe lent. Pour les diodes lasers étudiées au III-V Lab, nous avons choisi d’avoir une différence d’indice de l’ordre de 2.10-3 entre la zone centrale et les zones latérales (Figure II.3-13).

,

eff latéral

N N

N

Zone active

Figure II.3-14 : Nombre de modes de l’axe lent en fonction de la largeur du ruban

La différence d’indice sur l’axe lent étant nettement plus faible que sur l’axe rapide (2.10-3 contre 1.10^-2), la largeur de coupure sur cet axe, largeur maximale pour un fonctionnement monomode, est plus grande que sur l’axe rapide (équation II-39).

-

= ^λ

2®

−

Ainsi, nous pouvons voir que pour une différence d’indice de 2.10-3, la largeur de coupure est de l’ordre de 3,5 µm. Cette largeur définit seulement le nombre de modes potentiels dans le guide d’onde et pas nécessairement le nombre de modes qui émettront au courant de seuil. En effet, pour déterminer cela, il faut étudier également le confinement des modes optiques dans l’axe rapide. Néanmoins, en utilisant un logiciel de simulation (Alcor développé par la société Symphot) prenant en compte la gravure du ruban (simulation 2D), nous avons pu optimiser les différents paramètres de la structure afin d’avoir un bon fonctionnement monomode du laser.

Figure II.3-15 : Simulation (en intensité) du mode fondamental TM₀₀ pour un guide d’onde de largeur 4 µm

Figure II.3-16 : Simulation (en intensité) du mode TM₀₁ pour un guide d’onde de largeur 4 µm

Comme prévu, pour un laser ayant un ruban de 4 µm de large, il existe deux modes dans la cavité pouvant participer à l’émission laser. Le mode fondamental, TM₀₀ (Figure II.3-15), montre une largeur effective (6 µm à 1%) dans le plan parallèle plus importante que la largeur du ruban (4 µm). Cette différence de largeur est due à l’étalement des porteurs dans le puits du fait d’une gravure du ruban

0 2 4 6 8 10 1 2 3 N o m b re d e m o d e s

s’arrêtant avant la zone active du laser (et donc du puits quantique). Le second mode, TM₀₁ (Figure II.3-16), est quant à lui antisymétrique et présente deux maxima d’intensité. Néanmoins, sa largeur effective totale est plus importante (11 µm contre 6 µm pour le mode TM₀₀) que celle du fondamental TM00 et il a donc un recouvrement sur la partie injectée du puits quantique plus faible que le mode fondamentale.

II.3.2.b.iii Importance du confinement parallèle : Γ//

Pour une taille de ruban donnée, en l’occurrence un ruban de 4 µm, il peut y avoir plusieurs modes pouvant éventuellement participer à l’émission laser. Pour pouvoir déterminer si le mode de la cavité « lasera », le confinement du mode dans la cavité (traduit par son taux de recouvrement) est un critère déterminant. En effet, nous avons vu que le gain modal dépendait du recouvrement du mode sur le puits quantique. Dans une approche simpliste, nous nous contenterons de considérer une approche 1D du problème (seulement le puits quantique).

Figure II.3-17 : Etude du recouvrement des deux premiers modes de l’axe lent en fonction de la largeur du ruban

En étudiant le recouvrement du mode sur la partie guide d’onde du puits quantique (Figure II.3-17), il apparait que le mode TM00 a un recouvrement de plus de 80% sur la partie injectée du puits quantique. Pour le mode TM₀₁, son recouvrement est nettement plus faible, de l’ordre de 38%, pour un ruban de largeur 4 µm. Ce faible recouvrement implique que le mode est fortement étalé sur les parties latérales qui ne sont pas (ou très peu) injectées. Ainsi, le gain laser de ce mode à ces endroits étant négatif (dû à la très faible densité des porteurs à ces endroits-là), ce mode est absorbé et donc ne participe pas à l’émission laser. Ainsi, l’utilisation d’un guide d’onde ayant une largeur plus grande que la largeur de coupure du fonctionnement monomode n’implique pas forcément que tous les modes participeront à l’émission laser au seuil : le recouvrement du mode est un facteur très important !