Influence du nombre de puits sur le courant de seuil

Plus le nombre de puits quantiques est grand, plus est haut le gain optique (donc les pertes sont compensées), mais d’autre part, le courant de seuil augmente proportionnellement à ce nombre de puits. Il y’a donc un optimum qu’on obtient en définissant [2]:

Le gain maximal G1 d’une structure à un seul puits quantique (N = 1) soit:

= Г (

, ) (II-49)

Avec J1 et Jtr.1 sont respectivement le courant de pompe et le courant de transparence de la structure à puits unique.

Le gain G_N de la même structure précédente, mais avec N puits quantiques. En supposant le couplage avec l’onde électromagnétique identique dans tous les puits. Dans ce cas le gain le G_N est défini comme suit :

= = Г (

, ) (II-50)

49

= = (II-51)

Si on remplace dans (II.50) J_N par son expression de (II.51), on obtient à la variation du gain optique en fonction du nombre de puits :

= Г (

. , ) (II-52)

La Fig. II.19 Montre la variation du gain normalisé en fonction du courant de pompage normalisé pour un nombre de puits N=1, 2, 3 et 4.on remarque ainsi que le seuil de transparence augmente proportionnellement avec le nombre de puits N

Fig. II.19. gain normalisé d’une structure à (MQW) à N puits quantiques en fonction de courants de pompe normalisé[2].

Cependant, le seuil d’oscillation est obtenu en écrivant l’égalité entre le gain donné par l’expression (II.50) et les pertes données par l’expression (II.37). La densité de courant de seuil d’un laser à multi puits quantiques soit :

_, = ,

Г + − 1 (II-53)

Dans expression (II.53) le rendement quantique η a été introduit, cette expression permet toute les optimisations de cavité. Ainsi, le nombre de puits quantiques qui minimise le courant et donc obtenu par = 0 soit :

50 = 1 +

Г + − 1 = ^é

(II-54)

Cette dernière formule, peut être immédiatement interprétée. De même le courant de seuil

J_seuil,N qui est le produit de l’équation (II.53) par Lw, ou w est la largeur de la structure, présente en fonction de la longueur L de la cavité un minimum. Cette longueur optimale est obtenue en dérivant J_seuil,N par rapport à L ce qui donne :

=

Г (II-55)

En résumé, le seuil d’une diode laser et les différents moyens de diminuer ce seuil, a constitué la principale préoccupation de la communauté travaillant sur les lasers à conducteurs pendant une bonne vingtaine d’années. Désormais les seuils des lasers à semi-conducteurs sont assez bas (typiquement 200 A.cm⁻²) mais d’autres performances font l’objet d’une recherche sans répit. Parmi celles-ci, la puissance maximale que peut sortir une diode laser. Lorsqu’ on cherche à sortir le maximum de puissance d’une diode laser, on augmente le courant et la puissance de sortie augmente presque linéairement avec ce courant au-dessus du seuil. Au-dessus du seuil, augmenter le courant revient encore à augmenter le nombre de porteurs qui traversent la zone active (par définition même du courant). Tout courant au-dessus du seuil est converti en lumière, mis à part certaines pertes toujours présentes (absorption des photons émis, recombinaisons non radiatives) qui permettent de définir un rendement différentiel en watt/ampère. Il s’agit de la pente de la caractéristique I(V) de la diode laser, dont un exemple est présenté sur la Fig. II.20.

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Fig. II.20. Caractéristique I(V) d’une diode laser à base d’Antimoine (le matériau composant les puits quantiques est le quaternaire GaInAsSb), émettant dans le moyen infrarouge. Le courant de seuil est de 24 mA (collaboration Université de Montpellier/Thomson CSF LCR)[24].

Pour les courant d’injection très élevés, les caractéristiques de la diode finissent néanmoins par se dégrader, parfois définitivement. La dégradation des performances peut provenir d’abord de l’augmentation des canaux non-radiatifs avec le courant (courants de fuite, mécanismes de recombinaison non radiative plus efficaces pour une densité de porteurs élevée...). Il peut exister également des problèmes thermiques, les mêmes problèmes qui ont rendu les progrès des lasers à semi-conducteurs assez lents au début de leur histoire. Les pertes non radiatives (en particulier sur les surfaces du cristal, au niveau des facettes miroirs), l’absorption résiduelle contribuent à chauffer le composant. Plusieurs phénomènes s’associent pour une augmentation de la température. Il est intéressant à noter quand la température augmente, le gain optique diminue, ainsi que le gap du matériau. La montée en température de la structure peut aussi contribuer aux migrations de dislocations qui vont augmenter les pertes non radiatives et donc l’échauffement. Aussi la monté en puissance, provoque la dégradation de la structure laser. A cet effet, la haute puissance détruire finalement le composant.

Pour traiter ces problèmes, le traitement des surfaces (passivation, dépôts de miroirs diélectriques qui ont également une fonction de limitation de la fragilité des facettes vis-à-vis du flux optique) ainsi que l’évacuation de la chaleur par l’embase sur laquelle est soudé le semi-conducteur sont des points très délicats (nécessitant un important savoir-faire).

52 Pour résoudre le problème lie à et pour avoir plus de puissance, il est naturel d’assembler différents lasers côte à côte sur une barrette laser (au détriment naturellement de la qualité de faisceau globale)[24].

La gestion de la dissipation thermique de ces barrettes est un point crucial, d’autant plus difficile à résoudre que la densité de composants est grande. On peut avoir éventuellement recours à un système de refroidissement des composants laser qui peut être obtenu par la circulation de fluide dans les embases en cuivre. La Fig. II. 21 montre un exemple de barrette vendu par Thomson. Si l’on veut toujours plus de puissance, on peut empiler des barrettes ensemble. Une barrette de 1 cm de large peut sortir aujourd’hui 50 watts continu, un empilement de barrettes peut fournir des puissances supérieures à 300 watts continu et des puissances crêtes focalisées dépassant les 10 kW.cm⁻².

Fig. II. 21. Diode laser (barrettes de puissance) vendus par Thomson-CSF Laser Diodes. Image est prise de la référence [24].

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