Deuxième génération de photodiodes accordables

On peut voir sur la Figure III-19 la variation en 3D de la position des pics de résonance mesurées au FTIR en fonction de la tension appliquée pour les composants de seconde génération. L’ISL mesuré est de 88 nm autour de 1,55 µm et la valeur du seuil d’accordabilité est de 2,5 V.

On remarque que la plage d’accordabilité couvre l’ISL pour seulement 10 V appliqués, soit 108 nm pour le pic situé entre 1,6 µm et 1,5 µm. Les écarts spectraux observés entre les modes ordinaire et extraordinaire ont été comparés par l’Institut FOTON à la modélisation de la réflectivité de la structure. Les écarts de 90 et 101 nm entre les modes ordinaires successifs sont correctement reproduits en considérant une épaisseur de CL de 6,4 µm. Cette épaisseur s’avère supérieure à la valeur attendue, car l’épaisseur nominale des murs en DF-1005 est de 4,8 ± 0.2 µm. Ce résultat peut être expliqué par le fait que la couche de SU-8 de ~500 nm déposée par spin-coating sur le DBR inférieur pour réaliser le réseau est vraisemblablement plus épaisse que prévu, probablement en raison de la topographie non plane de l’échantillon en InP après le procédé de fabrication. Ainsi, des surépaisseurs locales de cette couche de SU-8 peuvent conduire à une épaisseur résultante plus élevée pour les microcellules à CL.

Figure III-19 : Spectres de réflectivité mesurés au FTIR sur une photodiode pour des tensions allant de 0 à 10 V à 2 kHz avec une orientation des polariseurs pour laquelle seul le mode extraordinaire est

visible [102]

Position spectrale mode ordinaire

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ii. Mesures de photocourant localisées sous pointes

Les mesures de photocourant localisées et normalisées ont ensuite été effectuées à l’Institut FOTON à l’aide d’un laser à cavité externe accordable, offrant un accord continu sans saut de mode sur 80 nm (1480 nm-1560 nm) avec une largeur à mi-hauteur de 5 MHz. Le faisceau laser est focalisé avec une lentille de 40 mm de longueur focale pour former sur le photodiode une tache de 100 µm de diamètre, ce qui correspond à une surface inférieure à la surface des photodiodes sur l’échantillon. Les résultats présentés ci-dessous ont été obtenus sur une photodiode carrée de 380 µm par 380 µm, dont les caractéristiques spectrales mesurées au FTIR ont été décrites dans le paragraphe précédent. La polarisation de la lumière incidente est contrôlée afin de se concentrer sur le pic extraordinaire.

En absence de tension, on remarque que la photodiode génère un photocourant maximal de 0,65 mA pour une longueur d’onde autour de 1527 nm et pour une puissance de 1,4 mW (Figure III-20). Comme précisé précédemment, en actionnant les CL, la longueur d’onde de résonance se décale vers les longueurs d’ondes plus courtes. On a bien une diminution de la longueur d’onde de résonance pour des tensions allant de 0 à 4,25 V. Pour des tensions allant de 4,75 à 6,5 V, on voit apparaître un autre mode qui était initialement à 1600 nm à 0 V sur les mesures FTIR (Figure III-19). On a donc bien une accordabilité qui couvre la totalité de l’ISL pour une plage de tension de 7 V.

Figure III-20 : Spectre du photocourant correspondant aux pics de résonance des modes extraordinaires pour différentes tensions appliquée (VCL) en fonction de la longueur d’onde du laser

de test [90]

On peut noter qu’il n’y a pas de variation significative de l’amplitude du photocourant ni de la largeur à mi-hauteur avec la tension. La largeur à mi-hauteur moyenne des pics de photocourant est égale à 1,5 nm (au lieu 4 nm pour les photodiodes de la 1ère génération). Ceci est vrai sauf pour le pic de photocourant à 1480 nm correspondant à une tension VCL de 4,25 V

pour lequel sont observés une forte diminution du photocourant (≈0,25 mA) et un élargissement de la largeur à mi-hauteur. Ceci est attribué à un couplage entre les modes ordinaire et extraordinaire qui induit une dégradation du facteur de qualité de la cavité. Si cette plage spectrale de 1480 nm à 1490 nm est exclue, le facteur de qualité (Q) de la cavité est d’environ 103, ce qui est en accord avec la valeur attendue calculée par les modélisations de l’institut

Longueur d’onde du laser (nm)

Ph o to co u ra n t (mA ) @ t en si o n d e p o la ri sa ti o n = 0 V

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FOTON (Qcalculé ≈ 1100 sur une plage de 1500 nm à 1600 nm). Cela confirme que l’absorption

des CL est négligeable autour de 1,55 µm [103] et que le réseau en SU-8 nano-structuré intracavité n’induit pas de pertes par diffraction. Ceci conforte donc les résultats déjà obtenus lors de la réalisation et de la caractérisation des filtres accordables de haute finesse à CL utilisant du DF présentés dans le chapitre 2 [104].

En ce qui concerne la sensibilité du photodétecteur, on peut observer que le photocourant est compris entre 0,5 mA et 0,65 mA sur une large plage spectrale (de 1490 nm à 1560 nm). Compte tenu de la puissance du laser incident de 1,4 mW, cela conduit à une sensibilité comprise entre 0,35 A/W et 0,46 A/W. Ces résultats sont à comparer aux mesures de sensibilité réalisées sur des photodiodes identiques avant la réalisation du filtre. Pour ces photodiodes de référence, l’ajout d’une couche de SiNx déposée par PECVD à la surface des photodétecteurs

joue le rôle de revêtement antireflet. Ce traitement a pour effet de minimiser la réflexion à l’interface maximiser l’absorption de la lumière. Les sensibilités mesurées sur les photodiodes de référence (non accordables) sont comprises entre 0,57 A/W et 0,64 A/W sur le même domaine spectral, ce qui correspond aux valeurs attendues pour ces photodiodes intégrant une couche absorbante d’In0,53Ga0,47As de seulement 1 µm d’épaisseur.

Cette comparaison a donc permis d’évaluer à environ 2 dB les pertes directement liées à l’insertion du filtre accordable sur le photodétecteur. Comme déjà mentionné ci-dessus, ces pertes ne sont pas liées à l’absorption des matériaux dans la microcavité. Elles sont principalement liées à la transmission maximale du filtre à la longueur d’onde de résonance, estimée à environ 80 %, en raison d’un léger déséquilibre de la réflectivité entre les DBRs inférieur (97 %) et supérieur (95 %), et aux valeurs résiduelles d’absorption dans les couches d’ITO situées à l’extérieur de la microcavité.

Les performances de ces premiers démonstrateurs pourraient donc être encore améliorées en optimisant le design et la transmission de la cavité, mais également en augmentant l’épaisseur d’InGAs pour atteindre des sensibilités de ~1 A/W, et enfin en réduisant l’épaisseur de CL pour augmenter l’ISL et donc la gamme d’accordabilité.

iii. Utilisation en tant que micro-spectromètre

À la suite des premières caractérisations, les performances de ces photodiodes accordables ont été comparées à celles d’un analyseur de spectre commercial de type OSA par l’Institut FOTON. L’idée est de vérifier que les photodiodes peuvent effectivement servir de microanalyseur de spectre. Pour ce faire, il a été nécessaire de calibrer la réponse des photodiodes en fonction de la tension VCL pour connaître à priori la position spectrale.

Une fois cette calibration réalisée, la réponse des photodiodes accordables a été testée avec une fibre dopée erbium de 20 m pompée à 980 nm et émettant entre 1530 nm et 1565 nm (Figure III-21(a)). Cette gamme spectrale se situe idéalement entre deux modes ordinaires successifs de la photodiode, respectivement à 1482 nm et à 1572 nm (cf. Figure III-20). On remarque que pour deux niveaux de pompage différents testés, la réponse spectrale obtenue avec la photodiode est très proche de celle obtenue par l’analyseur commercial avec des sensibilités équivalentes (Figure III-21 (b)).

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Figure III-21 : (a) Schéma du banc de test servant à caractériser la photodiode accordable en tant que microanalyseur de spectre et (b) spectres d’émission mesurés par une photodiode et par un

analyseur de spectre pour deux niveaux de pompage différents (OSA)[90]