Evaluation des performances

Nous avons fabriqué au paragraphe précédent des sources à base de LCQ couplés monolithiquement sur des guides passifs à base d’InP. Les caractérisations électro-optiques et par injection d’un laser externe sont effectuées pour valider cette ap-proche et quantifier les performances des lasers et des coupleurs adiabatiques.

Caractérisations électro-optiques

Les résultats des caractérisations électro-optiques sont présentés sur la figure 3.31(a). Les deux lasers testés sont issus de la même barrette pour des rubans de 4 mm de longueur et de 12 µm de largeur. La densité de courant traversant la zone ac-tive reste très faible, bien inférieure au seuil laser (≈ 4 kA/cm2). Pour comparaison, la caractéristique V(J) d’un laser classique réalise en double tranchée et possédant une zone active identique (c’est à dire issue du même lot MBE) est tracée sur la figure 3.31(b). La structure verticale ainsi que la prise de contact inférieure en face arrière sont similaires au procédé décrit dans l’annexe A.2. La densité de courant mise en jeu est un ordre de grandeur plus élevée que sur le laser couplé. Ce compor-tement est caractéristique d’une résistance série trop élevée. La tension de claquage des lasers se trouvent proche de 25 V, empêchant de monter davantage la tension.

Densité de courant (kA/cm²)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 Tension (V) 0 5 10 15 20 25 30 (b)

Densité de courant (kA/cm²)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 Tension (V) 0 5 10 15 20 25 30 (a)

Figure 3.31 – Caractéristiques densité de courant - tension pour (a) des lasers couplés évanescents et (b) des lasers classiques. La structure verticale comprenant la zone active est identique sur les deux groupes de lasers.

Ce comportement est expliqué par un mauvais contact inférieur, permettant la collection des électrons. La structure verticale ne comporte pas de couche d’arrêt. La gravure du ruban devait alors être arrêtée précisément au niveau des derniers puits quantiques pour pouvoir former un contact ohmique. Le fond de gravure et le profil vertical de la facette sont analysés au microscope MEB sur la figure 3.32. Le pied du ruban comprend encore une partie de la zone active, permettant le transport latéral des électrons vers le contact inférieur. Néanmoins, le profil de la gravure est in-homogène et l’épaisseur restante de la zone active diminue avec la distance au ruban. Les derniers puits-quantiques ne peuvent plus être distingués, amenant une résistance série supérieure et diminuant le courant traversant la structure à une tension donnée.

9µm

ZA

InGaAs InP nid

Figure 3.32 – Image MEB du fond de gravure permettant l’analyse du contact inférieur. Le contact avec les dernières couches dopées se fait sur une épaisseur très faible, limitant la qualité du contact inférieur.

En augmentant le rapport cyclique et la tension jusqu’à une valeur de 25 V, un point lumineux est observé en sortie de guide passif. La figure 3.33(a) montre ce point, en même tant que son profil d’intensité présent sur la figure 3.33(b). Après vérification, la lumière de sortie est polarisée. L’électroluminescence de l’InP ou de l’InGaAs, , ou un caractère thermique provenant de l’échauffement ne peuvent pas expliquer la présence de ce point. Ce rayon lumineux est probablement constitué des photons produits par électro-luminescence de la zone active ayant été couplés au guide passif à travers le coupleur adiabatique.

(b) Distance (pixel) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Intensité (u.a.) (a)

Figure 3.33 – (a) Champ proche de la sortie du guide passif, à une tension de 25 V, un courant de 0,2 mA, une fréquence de 300kHz et une durée d’impulsion de 1 ms. (b) Profil 1D de l’intensité le long des curseurs.

Caractérisations externes

Pour confirmer et évaluer le couplage entre les deux guides, un faisceau externe dont la polarisation peut être changée est injecté dans la facette de sortie de la section C. Pour un état de polarisation d’entrée TE ou TM, la condition de phase à la facette A est différente. Les résultats de simulation des figures 3.34(a) et (b) représentent la propagation inverse du faisceau d’entrée dans la structure ainsi que le profil 2D simulé du mode à la facette de sortie pour une polarisation TE et TM.

3.3. Intégration homogène d’un LCQ sur filière passive InP

Sur la partie de droite, le champ proche à la facette est capturé pour les deux états de polarisation d’entrée.

(a)

(b)

Figure 3.34 – (à gauche) Simulations de propagation inverse du guide passif vers le guide actif, (au centre) amplitudes des modes présents à la facette de sorte et (à droite) Champ proche mesuré à la facette de sortie pour un mode d’entrée polarisé (a) TE et (b) TM.

En polarisation TE, une partie significative de la lumière est observée dans le guide inférieur. Un mode très large proche d’un mode planaire est excité, possédant des caractéristiques communes avec le profil calculé. En polarisation TM, le mode est guidé dans le guide d’onde supérieur et peu de lumière reste présent dans le guide planaire. Bien qu’un accord entre la simulation et la mesure soit observé, il est difficile d’être plus quantitatif sur ces mesures.

Afin d’estimer les pertes de couplage, une dernière caractérisation consistant à injecter un signal à la facette arrière est mise en place. La mesure du signal transmis en présence et en absence du coupleur permet d’estimer les pertes apportées par la fonction. Un laser LCQ FP centré autour de 8,4 µm et présentant un spectre multi-mode est utilisé pour s’affranchir de la transmission oscillante de la cavité Fabry-Pérot formée par les facettes clivées. Sur la figure 3.35 sont représentées les caractérisations du laser maître après passage dans le laser esclave, avec et sans coupleur. La longueur de la zone active après clivage pour accéder à la facette de sortie est de 2 mm. Les pertes liées seulement à la fonction de couplage sont estimées à 6,1 dB. Les pertes de propagation dans la partie passive (0,02 dB) ne sont pas prises en compte. La différence de réflectivité des facettes de sortie des guides actif et passif contribue à hauteur de 0,2 dB.

Ces pertes de 6,1 dB peuvent être expliquées technologiquement. La géométrie du guide est définie sur une gravure propre s’arrêtant 200 nm au dessus de la fin de la zone active. La gravure s’éloigne de la géométrie simulée et présente un pied de gravure. Une variation par rapport au dessin théorique entraîne un décalage sur la fonction de transfert. Il en est de même pour l’alignement et la définition de la pointe qui ont été altérés lors de la fabrication. Une rugosité est également présente sur le guide actif au niveau de la section B, apportant des pertes par diffusion. L’amélioration de la lithographie optique ainsi que du procédé de gravure peuvent ainsi contribuer à la diminution les pertes. Nous nous sommes également aperçus que

Courant (A) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Puissance (mW) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Pout₁

Pin ^{avec coupleur}

Pout₁

sans coupleur

Pin Pout₂

Pout₂

Figure 3.35 – Puissance en sortie de guide avec coupleur (Pout1) et sans coupleur (P_out2), à une longueur d’onde de 7,4 µm pour une largeur de guide actif de 10 µm et une longueur de cavité de 2mm.

les côtes sur la pointe de 200 nm sont difficile à respecter. Il serait plus raisonnable de réaliser une pointe de dimension supérieure à 500 nm pour contrôler sa forme.

Le transfert de la lumière est démontré pour un fonctionnement actif par obser-vation de l’électro-luminescence du laser polarisé, et passivement par estimation de l’efficacité de couplage du coupleur. Nous constatons qu’il est nécessaire d’ajouter une couche d’arrêt pour réaliser le contact électrique inférieur et pour un meilleur suivi de la gravure du ruban. Cette nouvelle structure sera utilisée dans la section suivante pour l’obtention d’une source couplée et multiplexée.