Bilan des caractéristiques du VCSEL selon le type de structure employée

Nous avons montré les retombées positives du procédé TSHEC sur les performances optiques et thermiques du VCSEL. Afin de faire un bilan comparatif sur ces performances, nous allons récapituler dans un tableau les caractéristiques de deux structures VCSELs expérimentées au cours de cette thèse. Nous appelons P1 la structure hybride ayant un Bragg inférieur hybride déposé plein champ, et P2 la structure réalisée selon le procédé TSHEC avec un diamètre du miroir hybride enterré de 20 µm. A noter que les deux structures contiennent un miroir de Bragg supérieur composé de 4 paires. Le tableau IV.2 résume toutes les caractéristiques de ces deux structures VCSELs en termes de performances optiques (puissance maximale, densité de seuil, taux de rejection des modes transverses (OSNR)) et des performances thermiques (température maximale de fonctionnement, résistance thermique).

Comme le montre les valeurs reportées dans le tableau IV.2, la structure réalisée par le procédé TSHEC est plus performante au niveau de l’aspect thermique et optique par rapport à celle représentée par la structure P1. Cela confirme définitivement, l’efficacité de l’approche du miroir hybride enterré. Nous remarquons en premier lieu, un taux de rejection des modes transverses supérieur à 30 dB et ce, quel que soit la structure étudiée.

Par ailleurs, en comparant les deux structures, nous avons une augmentation de 27 % au niveau de la puissance émise à 20 °C, et une réduction de 61 % sur la densité de seuil à la même température, grâce au procédé TSHEC. Une densité de 2,23 kW/cm² est obtenue sur la structure P2, ce qui est inférieur à celles reportées dans la littérature[27] mais reste supérieure à d’autres densités seuils (370 W/cm²)[28] obtenues sur un VCSEL à faible puissance émise incompatible avec des applications nécessitant le milliwatt en sortie.

Enfin, comme nous l’avons déjà évoqué, la simulation thermique a clairement démontré une réduction d’environ 28 % sur les valeurs des résistances thermiques, grâce au procédé TSHEC. Du point de vue expérimental, cette amélioration s’est manifestée par des réductions importantes des puissances seuils, un accroissement de la gamme de fonctionnement en température, et des puissances de sortie plus importantes.

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Caractéristiques Structure P1 Structure P2

Température maximale de fonctionnement (°C) 45 55 Résistance thermique théorique (K/W) 1181 853 Résistance thermique mesurée (K/W) 960 1000 Puissance maximale à 20 °C (mW) 1,71 (80 µW avec un Bragg supérieur composé de 6 paires)

2,18

(113 µW avec un Bragg supérieur composé de 6 paires)

Densité de seuil à 20 °C (kW/cm²)

5,8

(3,45 avec un Bragg supérieur composé de 6 paires)

2,23

(1,13 avec un Bragg supérieur composé de 6 paires)

OSNR (dB) >30dB >30dB

Tableau IV.2: Caractéristiques des deux structures VCSELs utilisées

Toutefois, nous n’avons pas pu confirmer expérimentalement la réduction de la résistance thermique. Cela est principalement lié à la proximité du diamètre du laser de pompe de celui du miroir enterré (20 µm). Malgré tout, nous avons mesuré une valeur de résistance thermique de 1000 K/W, qui même si elle est très probablement surévaluée, reste très faible et comparable à celle obtenue dans la filière GaAs[29]. D’autres mesures devront être conduites sur des nouveaux VCSELs reportés, afin de reproduire et confirmer la tendance théorique de la thermique des VCSELs.

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Conclusion

Nous avons exposé dans ce chapitre les motivations qui nous ont amené à développer le nouveau procédé technologique appelé TSHEC, à savoir, améliorer davantage l’aspect thermique des VCSELs et obtenir des structures compatibles avec l’injection électrique. Pour situer la méthode de report utilisée dans le procédé TSHEC, les différentes techniques de collage des substrats ont été abordées à savoir le collage direct et indirect.

Ensuite, nous avons présenté une série de tests sur le collage hybride (au BCB et au cuivre), et les optimisations (pré-collage au BCB, alignement des DBR avec les trous de Si…) qui ont permis de mettre en place la version finale du procédé TSHEC. Enfin, toutes les étapes conduisant à la réalisation de puces VCSELs reportées sur Si, par le procédé TSHEC, ont été détaillées.

Dans la dernière partie, nous avons reporté les caractérisations optiques et thermiques des puces VCSELs, en fonction du diamètre du miroir hybride enterré et en fonction de la température. Les résultats expérimentaux ont été analysés en s’appuyant sur des simulations thermiques effectuées au préalable. Les interprétations des résultats ont été confirmées par une simulation thermique d’une structure similaire à celle réalisée par le procédé TSHEC. En résumé, le procédé TSHEC a conduit à une réduction de 28 % sur le budget thermique des VCSELs. Des densités de seuils relativement faibles (2,23 kW/cm²) ont été obtenues grâce à ce nouveau procédé, soit une réduction de 61 % par rapport à un VCSEL hybride intégrant un miroir déposé plein champ. On note une augmentation de 27 % de la puissance émise, avec des valeurs maximales dépassant les 2 mW. Toutes ces améliorations (optiques et thermiques) ont été obtenues par l’approche du miroir hybride ayant un diamètre enterré de 20 µm. Enfin, grâce au procédé TSHEC une amélioration considérable de la dissipation thermique latérale des puces VCSELs a été apportée, qui a pour conséquence une amélioration importante des performances optiques (Pseuil et Pout).

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