Microscopie en champ proche

An d'aller plus en avant dans la localisation des modes transverses des VCSEL et en particulier des modes d'oxyde des VCSEL à PQ d'InGaAs très contraints, l'émission de nos lasers a été observée en champ proche optique en collaboration avec le Laboratoire de Nanotechnologie et d'Instrumentation Optique de l'Université Technologique de Troyes. De récents résultats présentent la pertinence de l'utilisation de dispositifs de microscopie en champ proche SNOM (Scanning Near-eld Optical Microscopy) pour cartographier les modes transverses de VCSEL implantés [10, 11] ou oxydés [12, 13] mais émettant à

4.3. Observation de la répartition spatiale des modes 113 PC VCSEL current source monochromateur PC contrôleur piézoelectrique X Y X Y X Y Z VCSEL

current sourcesource de courant pointe polymère fibre optique diapason visible camera ultra zoom visible caméra ultra zoom objectif photodétecteur asservissement

Fig. 4.13  Schéma d'un SNOM (Scanning Near-eld Optical Microscope).

850 nm. De plus, les sondes brées utilisées dans cette étude sont issues d'une technologie particulière développée par l'Université Technologique de Troyes.

4.3.2.1 Description du dispositif

Le dispositif de microscopie en champ proche est basé sur un système de type AFM (gure 4.13). Des céramiques piézoélectriques permettent de déplacer l'échantillon dans les trois directions de l'espace avec une précision nanométrique en dessous d'une sonde. La distance entre l'échantillon et la sonde est régulée par un système shear-force [14, 15]. La bre optique supportant la sonde est collée sur un diapason oscillant, dont la résonance est modiée par un ensemble de forces mécaniques à la proximité d'une surface. Cet asservissement permet à la sonde soit de scanner la surface à hauteur constante, soit de suivre sa topologie. La sonde couple le signal dans une bre optique qui renvoie le signal à un photodétecteur infra- rouge (matrice unitaire germanium Newport 818 IG). Ce système permet donc d'obtenir deux images : l'image topographique et l'image optique de l'aire scannée par la sonde.

La sonde est une pointe polymère située à l'extrémité d'une bre optique de 9 µm de coeur (gure 4.14). Cette pointe micrométrique est fabriquée à partir d'un polymère photosensible. La solution contenant ce polymère est déposée au bout d'une bre optique. Puis un éclairage provenant de la bre optique elle- même produit la photopolymérisation qui donne naissance à la pointe de quelques 20 µm de long [16]. Le rayon de courbure de la pointe obtenue dépend du temps d'exposition et de la puissance de l'éclairement et varie de 3 µm à 200 nm (gure 4.14a)). Ce genre de pointe a déjà permis de coupler le faisceau laser issu d'une diode laser de type ruban avec un taux de couplage de 80% [17].

La microscopie en champ proche est couramment utilisé pour la détection d'une partie des ondes éva- nescentes diractées par l'objet observé. Ces ondes de très faible intensité transportent des informations

4.3. Observation de la répartition spatiale des modes 114

a) pointe polymère b) pointe polymère métallisée

2.5 µm 10 µm

500 nm

Fig. 4.14  Image en microscopie électronique à balayage : a) une pointe polymère de 200 nm de rayon de courbure à l'extrémité d'une bre optique, b) pointe polymère métallisée avec une ouverture de 50 nm réalisée au FIB (Focus Ion Beam).

4.3. Observation de la répartition spatiale des modes 115 diamètre 12 µm diamètre 12 µm diamètre 6 µm a) pointe polymère R ~3 µm pointe polymère R < 1 µm b) c)

Fig. 4.15  Images optiques de modes d'oxyde de VCSEL à PQ d'InGaAs très contraints obtenue à 150-200 nm au dessus de la surface avec des pointes polymères non métallisées : a) VCSEL de 12 µm de diamètre d'oxyde à 7.5 mA avec une pointe polymère de 3 µm de diamètre, b) même VCSEL qu'en a) avec une pointe polymère de moins de 1 µm de diamètre, c) VCSEL de 6 µm de diamètre d'oxyde à 3 mA avec une pointe polymère de moins de 1 µm de diamètre. Un cercle discontinu de 12 ou 6 µm de diamètre a été arbitrairement centré sur les images pour mettre en évidence la dimension du diamètre d'oxyde du VCSEL.

sur les hautes fréquences spatiales puisqu'elles n'existent qu'à proximité de la surface de l'objet, à une distance de l'ordre de la longueur d'onde d'observation. Les dispositifs SNOM détectent en général les ondes évanescentes provenant d'une propagation perpendiculaire à la sonde. Dans le cas d'observation de l'émission d'un VCSEL, la lumière à coupler est le faisceau laser qui se propage en direction de la sonde. La puissance couplée est donc beaucoup plus importante que lors de la détection d'ondes évanescentes. Si cet aspect semble faciliter la récupération du signal, il nous a amené à nous poser des questions sur des couplages parasites lors nos premières observations.

4.3.2.2 Premières observations pour la localisation des modes d'oxyde

Les premières observations des modes d'oxyde ont été réalisées à l'aide de pointes polymères de grand diamètre de courbure (3 µm). La pointe polymère est approchée à l'aide d'un élément piézoélectrique à environ 150-200 nm de la surface sans asservissement contrôlant la hauteur de la pointe. Cette observation exploratoire nous a permis d'imager les modes d'oxyde émis par un VCSEL à PQ d'InGaAs très contraints de 12 µm de diamètre d'oxyde. L'image optique en gure 4.15a) montre un maximum d'intensité au niveau du diaphragme d'oxyde et conrme la localisation périphérique des modes d'oxyde donné par Choquette et al.. Une structuration complexe de plus faible intensité est toutefois visible au centre du VCSEL. En comparant les images 4.15a) et b), on voit aisément qu'une pointe polymère plus ne (< 1µm de diamètre)

4.3. Observation de la répartition spatiale des modes 116 fibre optique pointe polymère 10 µm couplage ‘parasite’ couplage en bout de pointe VCSEL

Fig. 4.16  Schéma des couplages dits 'parasites' possibles dans une pointe polymère.

permet d'augmenter la résolution. L'observation avec cette même pointe ne d'un VCSEL de 6 µm de diamètre d'oxyde met en évidence des lobes au centre de la zone émettrice. Pour les faibles diamètres d'oxyde (< 10µm), la localisation strictement périphérique des modes d'oxyde est donc discutable.

La structuration centrale provient-elle de l'émission du VCSEL couplé en bout de pointe ou bien de couplage 'parasites' sur les bords de la pointe ou dans la bre, schématisé sur la gure 4.16 ? Pour s'aranchir des problème de couplage parasite, nous avons décidé d'utiliser une pointe métallisée avec une ouverture de 50 nm (gure 4.14b)).

4.3.2.3 Observation SNOM de VCSEL monomodes

An de tester l'utilisation des pointes métallisées, nous nous sommes tout d'abord aranchis des ques- tions de modes transverses en observant des VCSEL monomodes. Ainsi, deux VCSEL à BQ d'In(Ga)As monomodes ont fait l'objet d'observation SNOM avec une pointe métallisée à ouverture de 50 nm. Pour réaliser cette ouverture, la pointe et l'extrémité de la bre sont d'abord métallisés avec un dépôt d'alu- minium puis une ouverture circulaire est faite au bout de la pointe dans la couche de métal à l'aide d'un faisceau d'ion focalisé (FIB Focused Ion Beam) (gure 4.14b)). Nous avons conrmé la perte de résolution lorsqu'on éloigne la pointe de la surface. La gure 4.17 présente les images optiques d'un VCSEL à BQ d'In(Ga)As de 6 µm de diamètre d'oxyde enregistrées à diérentes hauteurs de la pointe : en contact, à 50 nm , à 200 nm, à 400 nm et 1.4 µm au dessus de la surface. Pour une meilleure lisibilité, des contours d'iso-intensité ont été tracés. On constate que les deux lobes visibles en contact et à 50 nm au dessus de la surface ne sont plus distincts lorsque la distance pointe-surface augmente.

L'utilisation d'une pointe polymère métallisée à ouverture semble donc donner une très bonne résolu- tion. Cependant, la structuration complexe observée en gure 4.15 peut provenir de la superposition des

4.3. Observation de la répartition spatiale des modes 117

ho : contact _{ho+50 nm} ho+200 nm

ho+400 nm ho+1.4µm

Fig. 4.17  Images optiques SNOM de l'émission d'un VCSEL à BQ d'In(Ga)As monomode, à un courant xé à 2 mA et pour diérentes hauteurs h de la pointe au dessus de la surface du VCSEL

modes coexistants au même courant. Dans le but d'observer séparément la répartition spatiale de chaque mode, des mesures de spectroscopie en champ proche ont donc été menées sur le même VCSEL à PQ d'InGaAs très contraints de 6 µm de diamètre.