IV.5 Démonstration à température ambiante
V.1.3 Optimisation des performances des LCQ
Les expériences de mélange d’ondes dans la gamme télécom que nous présentons dans ce chapitre n’avaient jamais été menées, il fallait donc développer à la fois un nouveau dispositif expérimental (présenté partie V.2.1) mais aussi des LCQ adaptés pour le mélange d’ondes. Nous avons travaillé pour ce projet en collaboration avec Isabelle Sagnes et Grégoire Beaudoin du LPN (actuel C2N) et avec Maria Amanti et Carlo Sirtori du laboratoire MPQ, afin de développer des structures LCQ adaptées pour le mélange d’ondes télécom à température ambiante.
Les croissances des ces structures ont été réalisées au LPN par MOCVD. Ces croissances, nouvelles pour le LPN, nécessitaient des adaptations et des calibrations à mettre en place de leur côté. Le process a ensuite été réalisé chez nos collaborateurs du laboratoire MPQ. Le process a également nécessité des optimisations afin d’obtenir des flans droits sur des rubans très étroits. La figure V.5 montre un exemple de LCQ MIR après le process, la photo est prise au microscope électronique.
V.1. Caractérisation des LCQ MIR basés sur InP 93
Figure V.5 – Exemple de photo au microscope électronique d’un LCQ MIR basé sur InP, après process.
Ce paragraphe présente les différentes croissances réalisées en optimisant au fur et à me- sure les échantillons afin d’obtenir les performances nécessaires pour le mélange de fréquences dans la gamme télécom. Pour optimiser ces dernières, nous avons fait varier le dopage dans les couches concernées de la zone active et augmenté dans certains cas l’épaisseur des couches InP de guide. On va revenir en détails sur ces différentes structures et on présentera leur caracté- ristiques Puissance-Tension-Courant. Les mesures de puissance ont été obtenues en collectant puis focalisant le faisceau MIR à l’aide de lentilles en ZnSe sur un détecteur thermique calibré. Le tableau 5 donne un aperçu des performances des structures au cours des étapes suc- cessives d’optimisation. L’augmentation de l’épaisseur des couches de guide et l’augmentation du dopage ont permis d’améliorer très notablement les performances pour ce qui est de la puissance émise à température ambiante. De précédentes études sur cette structure de bandes [79] ont mis en évidence l’effet de l’augmentation du dopage sur la puissance crête et sur le courant de seuil. Hormis la première croissance dont le courant de seuil est important (pre- mier échantillon d’essai), on constate que l’augmentation du dopage conduit à une élévation du courant de seuil, pour une même température, en accord avec la référence [79].
Code InP1529 InP1638 InP1639 InP1768 InP1769
Dopage visé (cm−3) 3.3e16 6.6e16 6.6e16 1.6e17 3.3e17
Seuil (kA/cm2) (90K) 1 0.7 0.7 - -
Seuil (kA/cm2) (200K) - 1 1 2.5 4
Puissance max (mW) 2 (150K) 5 (290K) 5 (290K) >50 (290K) >150 (290K)
Épaisseur guide InP (µm) 2.5 2.5 3.5 4 4
Longueur (mm) 2.5 5 5 3 3
Table 5 – Performances et caractéristiques des différentes croissance de LCQ MIR basés sur InP.
On voit comme attendu que l’augmentation du dopage conduit à une puissance crête plus importante. On peut comparer les performances de nos LCQ à celles de précédents LCQ pou- bliés dans la littérature. On s’intéresse notamment à la référence [21] dans laquelle la même croissance a été réalisée par MBE, avec un dopage de 4e17 cm−3 dans la zone active et pré- sente un courant de seuil de 3.7 kA/cm2 et une puissance maximale de presque 1 W (pour
94 Chapitre V. Mélange d’ondes dans les LCQ basés sur InP
une densité de courant injecté de 8 kA/cm2à 300 K. Pour un dopage approchant (dopage visé de 3.3e17 cm−3), la dernière structure montre bien un courant seuil de l’ordre 3.5-4 kA/cm2. Cependant, la puissance maximale n’a pas pu être observée car elle a lieu pour des densités de courant injectés très élevés, bien supérieurs à 8 kA/cm2. Pour cette densité de courant injecté, la puissance mesurée est de 100 mW. Le rendement mesuré est plus faible mais nous avons pu améliorer la puissance émise d’un facteur 100, par rapport à la première croissance et ob- tenir les puissances nécessaires pour démontrer le mélange d’ondes dans les LCQ basés sur InP. Étudions maintenant les caractéristiques Puissance-Tension-Courant des différentes crois- sances.
Figure V.6 – Caractéristiques Puissance- Tension-Courant pour différentes tempéra- tures, pour la croissance InP1529 (dopage 3.3e16 cm−3).
Figure V.7 – Caractéristiques Puissance- Tension-Courant pour différentes tempéra- tures, pour la croissance InP1638/InP1639 (dopage 6.6e16 cm−3).
Les performances de la première croissance nommée InP1529 (dopage visé 3.3e16cm−3) sont présentées sur la figure V.6. Cette structure présente un seuil de courant vers 1 kA/cm2 à 90 K et une puissance d’émission de 8 mW à cette température, sous alimentation continue. La puissance diminue rapidement avec la température de fonctionnement et l’émission n’est plus mesurable au-delà de 150 K. Les performances de cette première structure sont assez limitées, aussi bien en puissance qu’en température.
Dans le but d’aller vers un mélange d’ondes possible à température ambiante, nous avons augmenté le dopage d’un facteur 2 (dopage visé 6.6e16 cm−3) dans une deuxième génération de LCQ MIR, afin d’améliorer leurs performances. Nous avons augmenté légèrement le nombre de périodes dans la zone active (44 au lieu de 36 précédemment). Deux croissances ont alors été réalisées, une première normale (InP1638) avec des couches de guide InP de 2.5 µm et une seconde modifiée (InP1639) possédant une couche supplémentaire de quaternaire InGaAsP de 350 nm d’épaisseur, insérée dans une des couches de guide de 3.5 µm d’épaisseur. Cette dernière a été réalisée pour essayer d’obtenir du mélange de fréquences dans une couche indépendante de la zone active mais intégrée dans la cavité du LCQ. Les expériences menées sur cette couche InGaAsP seront présentées dans l’annexe B. Les deux croissances InP1638 et InP1639 présentent des caractéristiques identiques. Elles sont présentées sur la figure V.7. On voit que le dispositif émet maintenant 20 mW à 90 K et peut fonctionner jusqu’à température ambiante, à laquelle il émet quelques mW. Le rapport cyclique utilisé est de l’ordre de 30 %