Afin de limiter les pertes optiques dans les matériaux, la lumière doit être guidée afin d’assurer un confinement maximal dans la zone active. En effet, il s’agit de la seule partie du composant apportant du gain, tous les matériaux l’entourant introduisant plus ou moins de pertes. Le design du guide d’onde confinant la lumière a donc plusieurs rôles. D’un point de vue optique, il joue un double rôle. Il doit à la fois assurer un fort recouvrement du mode optique avec la zone active, et également réduire les pertes en évitant un recouvrement trop fort avec les matériaux de fortes pertes comme les métaux. D’autre part, il doit permettre un drain de la charge thermique générée par effet Joule suffisant pour réduire la température de la zone active et permettre au QCL de fonctionner. Une vue schématique d’un QCL est représentée sur la figureII.14.
Figure II.14: Représentation schématique d’un QCL. La zone active (en rouge) en située entre deux couches guidantes (en vert) verticalement et une couche d’isolation (en bleu) qui sert également à ce que le contact métallique (en jaune) supérieur ne court-circuite pas la zone active. L’ensemble est cru sur un substrat (en gris) et une épaisse couche d’or électrolytique (en orange) permet une bonne diffusion thermique et une soudure sur une embase plus grosse.
Le guidage de la lumière dans les QCLs a été détaillé dans la thèse de Mai-sons [65], nous rappellerons ici les éléments permettant au lecteur de suivre la suite de ce travail.
II.4.1 le guide d’onde vertical
Le guidage vertical est assurée par un guide d’onde reposant sur l’utilisation de l’InP. La partie inférieure du guide d’onde est une simple couche d’InP alors que la partie supérieure est décomposée dans la plupart des cas en trois couches, de bas en haut :
— une couche d’InP modérément dopée (n ≈ 1017cm−3), que nous noterons CGS1, identique à la couche guidante inférieure, CGI
— une couche d’InP fortement dopée (n ≈ 1019cm−3), notée CGS2
— une couche d’InGaAs très fortement dopée (n ≈ 2 × 1017cm−3), notée CGS3
La CGS1 permet de confiner le mode optique, son indice de réfraction étant plus faible que celui de la zone active, sans introduire de pertes optiques par porteurs libres, son dopage étant faible. Elle permet d’éloigner le mode optique des couches supérieures, CGS2 et CGS3, ainsi que du métal de contact. Ceux-ci introduisent en effet des pertes par porteurs libres trop importantes dans le moyen infrarouge. À titre d’exemple, le coefficient d’absorption dans l’InP fortement dopé est de l’ordre de 15 cm−1. L’InP est le matériau utilisé pour les couches guidantes car il est un bon compromis entre une forte résistance électrique et de faibles pertes optiques (contrôlée par ajustement du dopage), une bonne conductivité thermique (kth ≈ 62 W/mK comme nous le verrons dans la partie III.1.4). Il est également possible d’obtenir de bonnes qualités de croissance par homo-épitaxie.
Cependant la différence d’indice de réfraction entre la zone active et CGI ou CGS1 est relativement faible, ∆n ≈ 0, 1 − 0, 3. Le mode optique décroît alors ex-ponentiellement dans ces couches, avec un recouvrement qui n’est pas négligeable. La couche CGS2, appelée couche plasmon, permet alors de reconfiner le mode dans la zone active. Son utilisation est apparue très rapidement, 1 an après le premier QCL [84]. Le fait qu’elle soit fortement dopée permet de drastiquement baisser son
indice de réfraction par effet plasmon. On peut ainsi obtenir des différences d’indice de l’ordre de ∆n ≈ 0, 5 − 1 avec CGS1, et donc de ∆n ≈ 1 − 1, 5 avec la zone active. Enfin la couche CGS3 permet essentiellement d’injecter efficacement les porteurs en réalisant un contact ohmique, faiblement résistif, entre le métal du contact su-périeur et l’InP. Son indice de réfraction est encore plus faible que celui de CGS2, mais le mode est déjà nul à ce niveau.
D’autre part, deux couches d’InGaAs faiblement dopées (n ≈ 1−10×1016 cm−3) sont souvent placées de part et d’autre de la zone active. Leur indice de réfraction est supérieur à celui de la zone active (n ≈ 3, 4) et leur épaisseur est très fine. Elles permettent d’uniformiser le mode optique en l’étalant verticalement, et d’augmen-ter son recouvrement avec la zone active. Son épaisseur est limitée par la faible conductivité thermique de l’InGaAs qui introduit une résistance thermique en série supplémentaire. D’autre part, si elle est trop épaisse, elle va tendre à chasser le mode optique de la zone active, son indice étant plus fort.
Dans le cas où une émission monomode spectralement est recherchée, le guide d’onde vertical est affiné en gravant à la surface du ruban un réseau de Bragg distri-bué (DFB) dont la périodicité permet de filtrer une seule longueur d’onde. Cepen-dant, une grande pureté spectrale n’est pas nécessaire pour la plupart des applica-tions des QCLs de fortes puissances. Nous ne détaillerons donc pas cette méthode, décrite dans la littérature [65,66,67,68,69,70,71].
Le mode optique est donc confiné verticalement par une suite de matériaux semi-conducteurs de même nature, qu’il s’agisse d’InP ou d’InGaAs. Ces matériaux présentent un bon accord de maille avec la zone active.
II.4.2 le guide d’onde horizontal
Le confinement latéral du mode dans la zone active peut être réalisé par deux méthodes différentes : par un diélectrique d’isolation, ou par un semi-conducteur isolant électrique, ici l’InP dopé Fer (InP:Fe). Le choix de ces matériaux correspond à deux architectures de QCLs explicitées dans la partieII.2.2 : la structure double tranchée (DT) pour le diélectrique et enterré dans un matériau semi-isolant (SIBH) pour l’InP:Fe. Les deux configurations sont représentées sur la figureII.4.
Ces deux structures ont un comportement optique très différent en ce qui concerne le guidage latéral du mode optique. En effet, dans le cas des lasers DT, le confine-ment optique (et électrique) latéral est effectué par le diélectrique d’isolation dont l’indice de réfraction est très faible. Il est compris entre n = 1 et n = 2 selon le matériau, usuellement du SiO2 ou du Si3N4, et la longueur d’onde. Il offre donc un très bon confinement horizontalement. Cependant, comme nous le verrons dans la partie III.1.2, celui-ci introduit des pertes optiques. De plus, un compromis doit être trouver pour son épaisseur. D’une part, s’il est trop fin, le mode ne sera plus isolé optiquement du métal formant le contact électrique, ce qui occasionnera de fortes pertes optiques. D’autre part, s’il est trop épais, il introduira une forte ré-sistance thermique et la dissipation de la charge thermique ne pourra plus se faire latéralement.
La puissance électrique générée au sein de la zone active d’un QCL de puissance peut s’élever à Pj ≈30 W. Dès lors, la résistance thermique des structures en DT
est trop élevé et il faut utiliser des configurations enterrées (SIBH). C’est l’adoption de la structure SIBH qui a permis de réaliser le premier QCL fonctionnant en régime continu à température ambiante [44].
L’InP:Fe a un indice de réfraction d’environ 3.09, très proche de celui de l’InP car sa concentration de porteurs est très faible comme expliqué dans la partieII.5.3. La différence d’indice avec la zone active étant faible, le mode va plus s’étaler laté-ralement que dans le cas des QCLs DT. Le recouvrement modal est alors plus faible, de quelques pourcents, mais les performances ne sont pas impactées car le coefficient d’absorption de l’InP:Fe est négligeable dans le moyen-infrarouge.