Chapitre II: Réalisation des VCSELs à émission large bande sur InP
2 VCSEL accordable
2.1 Les besoins
2.1.1
Gain large bande
Pour que les VCSELs puissent être accordables sur une large plage spectrale, il est nécessaire de disposer à la fois des miroirs de Bragg et d’une zone active performant sur cet intervalle de longueur d’onde. Dans ce paragraphe, nous allons en particulier montrer l’avantage d’insérer des nanostructures pour la réalisation des composants optoélectroniques fonctionnant sur une grande bande passante. En effet, les Puits quantiques (PQs) ont été usuellement employés pour la réalisation d’émetteurs accordables. Toutefois afin de compenser la faible extension spectrale du gain typiquement de 30-40 nm[1], il a été nécessaire de développer un design spécifique de la zone active, en particulier en combinant des zones de gain centrées à différentes longueurs d’ondes. Cette approche a ainsi permis de réaliser des dispositifs (EEL, SOA, VCSEL) couvrant de large bande. Plus particulièrement cette approche a permis la réalisation de VCSELs fonctionnant sur une bande de largeur allant jusqu’à 150 nm[2][3]. Par ailleurs, il se trouve que d’autres types de nanostructures telles que les Fils (FQs) et boites quantiques (BQs) sont tout à fait compatibles avec des composants fonctionnant sur une large bande. En effet, l’élargissement inhomogènes dû à la dispersion en taille de ces nanostructures leur attribue naturellement un gain large bande. Dans ce contexte, en utilisant des FQs émettant à 1,6 µm sur InP, une émission d’une diode super luminescente (DSL) dans une bande de 140 nm a été démontrée[4]. Comme le montre la figure II.1, une émission large bande d’un amplificateur optique à semi-conducteurs (SOA) couvrant une fenêtre spectrale de 120 nm (largeur à mi-hauteur) a été obtenue en utilisant également des FQs[1].
38 A titre de comparaison, le gain optique fourni par un SOA conventionnel (à PQs) est donné sur la même figure, il est trois fois moins large que celui fourni par un SOA à FQs. D’autre part, l’utilisation de nanostructures sous forme de BQs a donné naissance à des dispositifs large bande. Nous pouvons citer une démonstration d’une émission VCSEL à cavité externe (VECSEL) couvrant une largeur de 60 nm voire 200 nm[5][6]. Malgré la pertinence de ces résultats obtenus, il n’existe jusqu’à aujourd’hui, aucune étude relatant la réalisation d’un VCSEL à FQs ou BQs fonctionnant sur une large bande et autour de la longueur d’onde télécom de 1,55 µm. Ainsi dans ce chapitre, nous allons nous focaliser sur une étude exhaustif de ce type de composant en étudiant toutes les étapes requises à sa réalisation.
2.1.2
DBR large bande
Afin de répondre aux besoins des VCSELs accordables, il faut également avoir à disposition des miroirs de Bragg larges bandes. Comme nous l’avons indiqué au premier chapitre, le choix de ces miroirs s’est porté sur le couple de matériaux a-Si/a-SiNx de type diélectrique. Ce type de miroir se distingue des miroirs épitaxiées sur InP et GaAs par sa grande différence d’indice qui engendre une large « stop-band ». Les propriétés thermiques du matériau a-SiNx n’ont pas été reportées dans la littérature, nous avons choisi les propriétés thermiques du Si3N4 dont la composition chimique est très proche de celle du matériau a-SiNx.
Matériaux du DBR
Matériaux 1 Matériau 2 Caractéristiques
Réf 1
n
κ
1 [W/cm/K] 2n
κ
2 [W/cm/K] N pour R=99% Rth [K/W] Stop band (nm) GaAs/AlAs 3,38 0,44 2,91 0,91 21 75,1 172 [7] InGaAsP1,44µm/InP 3,46 0,042 3,17 0,68 35 219 83 [7] a-Si/Si3N4 3,73 0,026 1,9 0,16 5 136 782 [7] TiO2/SiO2 2,44 0,089 1,44 0,012 6 633 513 [7]Tableau II.1: Propriétés optiques et thermiques de différents systèmes de miroirs de Bragg utilisés pour les VCSELs à 1,55 µm. Les résistances thermiques (Rth) sont données pour une réflectivité de
99% et une surface égale à 1000 µm2. La stop band est calculée à partir d’une réflectivité maximale égale à 99,5%.
Le tableau II.1 reporte les propriétés optiques et thermiques de quatre systèmes de miroirs pouvant être utilisés pour la réalisation des VCSELs à 1,55 µm. Ces valeurs extraites de la référence[7], montrent clairement la relation existante entre la différence d’indice du miroir et la «stop-band» correspondante. Comme nous l’avons déjà annoncé, le miroir diélectrique
39 choisi présente la plus grande «stop-band» qui est 10 fois supérieure à celle d’un miroir à semiconducteurs de type InGaAsP/InP. Cela témoigne de la compatibilité de notre système de miroirs aux VCSELs accordables. Les valeurs de la «stop-band» sont déduites à partir des spectres de réflectivité représentés sur la figure II.2 et ce pour chaque système de miroirs. Le nombre de paires (N) constituant les miroirs est choisi de façon à avoir une réflectivité maximale de 99,5 %. Pour ce faire, nous avons eu besoin de 6, 10,5, 23 et 46 paires respectivement pour les miroirs a-Si/a-SiNx, TiOx/SiO2, GaAs/AlAs et InGaAsP1.44/InP. Afin de comparer rigoureusement les valeurs de «stop-band» de tous les miroirs, nous avons veillé à ce que tous les miroirs soient résonnants à 1,55 µm. Dans ce cas, les valeurs obtenues ne dépendent que de la différence d’indice associé à chaque couple de matériaux utilisé dans les miroirs.
Figure II.2: Spectre de réflectivité de 4 types de miroirs: GaAs/AlAs, InGaAsP1.44/InP, TiOx/SiO2 et a-Si/a-SiNx
pour une résonance à 1,55 µm. Le nombre de paires de chaque miroir a été soigneusement choisi pour avoir une réflectivité maximale de 99,5%
Au-delà du simple fait de la «stop-band», il est important de souligner que les propriétés thermiques des matériaux utilisés jouent un rôle important sur les performances des composants. Néanmoins dans la majorité des cas les miroirs diélectriques souffrent d’une faible conductivité thermique, ce qui peut favoriser la thermalisation du composant et ainsi nuire aux performances du VCSEL. Les valeurs des conductivités thermiques de chaque matériau sont rappelées dans le tableau II.1, ces valeurs nous ont permis de déduire les résistances thermiques Rth dechaque miroir, calculées à partir de la relation suivante (oû ei est l’épaisseur de la couche considérée, Ki est la conductivité associée et S étant la surface du miroir): 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 TiOx/SiO2 (10,5 paires) InGaAsP/InP (46 paires) aSi/aSiNx (6 paires) GaAs/AlAs (23 paires) R é fl e c ti v it é n o rm a lis é e Longueur d'onde(µm)
40
∑
=
i i i the
S
R
κ
1
(II.1)Ce paramètre est déterminant pour évaluer l’aspect thermique des VCSELs, cela signifie que plus Rth est grande et moins les VCSELs sont performants. On peut aussi noter que le nombre réduit de paires utilisés dans les miroirs diélectriques, notamment celui que nous avons retenu, permet d’obtenir des résistances thermiques très faibles par rapport au système de miroir de la filière InP. Finalement, en considérant que le matériau Si3N4 ait pratiquement les mêmes propriétés thermiques que le a-SiNx, nous avons alors un miroir formé de a-Si/a-SiNx ayant une résistance thermique proche de celle du miroir de référence GaAs/AlAs.
2.1.3
L’accord en longueur d’onde
L’association des deux dernières conditions à savoir un gain matériau et des miroirs larges bandes permet d’accéder systématiquement à un fonctionnement d’un VCSEL large bande. Néanmoins, il reste à trouver un moyen pour décaler la longueur d’onde d’émission du VCSEL par le biais d’un actionneur. Deux approches sont possibles pour mettre en place un actionneur. La première qui est la plus répandue, repose sur un micro système mécanique commandé par une consigne externe. Ce système est communément appelé MEMS (système micro-électro-mécanique). La deuxième est moins utilisée et est basée sur une configuration monolithique, elle consiste à modifier l’indice de la cavité et donc de changer la longueur d’onde effective du VCSEL. Un état de l’art situant les deux approches, sera donné dans le paragraphe suivant.