IV.3 L’utilisation de lasers larges
IV.3.2 Procédé de fabrication
Des lasers larges de 32 µm ont été réalisés avec la technologie SIBH, telle que décrit à la partieII.2.2. Toutefois, la recroissance de l’InP:Fe a été faite par HVPE, ce qui implique une étape supplémentaire.
En effet, la recroissance HVPE présente l’inconvénient, dans notre cas, de s’effec- tuer à la fois verticalement et latéralement. Cela implique un profil de l’InP:Fe qui s’amincit à une certaine distance du ruban laser, comme montré dans la figureIV.3a.
(a) Image MEB après HVPE
(b) Réalisation du macro-ruban
Figure IV.3: Image MEB du ruban laser après recroissance de l’InP:Fe par HVPE (IV.3a) et étape de réalisation du macro-ruban (IV.3b).
L’épaisseur d’InP:Fe devenant plus fine loin du ruban, le risque est d’observer soit un claquage au travers, soit des effets capacitifs transitoires pouvant entraîner la destruction du QCL. Un macro-ruban est donc réalisé, comme montré sur la figure IV.3b, en gravant l’InP:Fe là où son épaisseur est plus fine. Le macro-ruban est ensuite isolé électriquement avec un diélectrique. Cette technique a également été utilisée pour les µSQCL dont il sera question dans la partieV.2.
La suite du procédé de fabrication est la même que pour les lasers DT ou SIBH standards. On métallise la face avant, on recroît des plots d’or électrolytique, on amincit le substrat et on réalise le contact face arrière. La plaque est ensuite clivée et débitée en QCLs unitaires qui sont montés Down sur embase AlN.
CHAPITRE IV. MISE EN FORME DU FAISCEAU 101 IV.3.3 Résultats expérimentaux
Dans le cadre de cette thèse, nous avons cherché un équilibre entre la forte puissance crête des lasers larges et la possibilité de faire fonctionner les lasers avec un bon rapport cyclique pour obtenir de fortes puissances moyennes. Nous avons donc réalisé des lasers plus larges que les largeurs standards, typiquement de 6 à 10 µm, mais plus étroits que la centaine de microns. Nous avons ainsi fabriqué des lasers de 16 et 32 µm sur la plaque ART 1815, enterrés par HVPE. Les meilleurs résultats en termes de puissance émise ont été obtenus pour les lasers de 32 µm dont nous rapportons ici les performances.
Le laser étudié fait donc 32 µm de large, pour une longueur de 4 mm, il est doté d’un revêtement à haute réflectivité (HR) et est monté sur une embase AlN standard. De plus fortes puissances peuvent potentiellement être obtenues avec des QCLs plus long, nous étions limités par l’alimentation électrique. Une image au MEB de la facette est affichée sur la figureIV.4a.
(a) Image MEB du QCL de 32 µm.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Current density (kA/cm
2)
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Voltage (V)
10C 20C 30C 40C 0 50 100 150 200 250 300Mean power (mW)
0 2 4 6 8 10 12Peak Power (W)
T 0=266K (b) PIV.Figure IV.4: Image MEB de la facette du laser de 32 µm (IV.4a) ainsi que ses courbes caractéristiques PIV pour un rapport cyclique de 3% (IV.4b).
L’InP:Fe, sur chaque côté de la zone active, ne se distingue pas de l’InP:Si qui constitue le guide d’onde horizontal, ce qui est une manifestation de sa bonne qualité. Les courbes caractéristiques PIV sont ensuite mesurées pour des températures allant de 10◦C à 40◦C, par pas de 10◦C. Elles sont représentées sur la figureIV.4b. Les densités de courant de seuil mesurées sont de 1,51 kA/cm2 à 10◦C et 1,69 kA/cm2 à 40◦C, ce qui donne une température caractéristique de T
0 = 266 K dans la plage 10-40◦C. Ceci est en accord avec la littérature pour ce dessin de zone active [47]. La faible valeur de la densité de courant de seuil montre que les fuites de courant au travers de l’InP:Fe sont faibles, et ainsi la bonne qualité du matériau recru par
CHAPITRE IV. MISE EN FORME DU FAISCEAU 102 HVPE. La puissance crête maximale est de 11.5 W est la puissance moyenne est de 254 mW avec un rapport cyclique de 3%. On obtient des puissances crêtes (p = 360 mW/µm) par unité de largeur supérieures à la littérature (p = 300 mW/µm) [50]. L’évolution de la puissance avec le rapport cyclique a également été mesurée à 20◦C et à 40◦C et est représentée sur la figure IV.5a.
0 5 10 15 20 25 30 Rapport cyclique (%) 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 Puissance moyenne (W) 20°C 40°C
(a) Évolution avec le rapport cyclique.
-40 -20 0 20 40 Angle (°) 0 2 4 6 8 10 12 Puissance moyenne (mW) 11V horiz. 12V horiz. 13V horiz. 15V horiz. 14V vert.
(b) Champs lointains horizontaux et verticaux.
Figure IV.5: Évolution de la puissance moyenne avec le rapport cyclique à 20◦C et 40◦C (IV.5a) et champs lointains horizontaux (pour des tensions de 11 à 15 V) et verticaux du QCL ( IV.5b).
Notre source de courant ne nous permet de monter que jusqu’à un rapport cy- clique de 26%. Ce rapport cyclique n’est pas assez haut pour observer le roll-over thermique, ni à 20◦C, ni à 40◦C. Cela montre que la charge thermique est effica- cement dissipée par le QCL, tant par le dessus du ruban que par l’InP:Fe sur ses flancs. Pour un rapport cyclique de 26%, la puissance moyenne mesurée est de plus de 1,6 W.
Le champ lointain du QCL est également mesuré sur toute la plage de fonction- nement du laser, de 11 à 15 V. La vitesse du bras rotatif est d’environ 0,6 degrés par seconde. La mesure est effectuée avec la même source de courant et le même photodétecteur que pour les PIV. Le bruit de fond est supprimé en effectuant un balayage avec le laser éteint, que l’on retranche à toutes les mesures suivantes. Les champs lointains obtenus sont représentés sur la figureIV.5b. Comme pour les QCLs plus étroits, la divergence verticale est forte, avec une FWHM de 45,5◦ à 14 V, et celle-ci ne dépend que faiblement du point de fonctionnement choisi. Cependant,
CHAPITRE IV. MISE EN FORME DU FAISCEAU 103 le champ lointain reste mono-lobe jusqu’à une tension de 12 V et ne subit ensuite qu’un épaulement, contrairement aux lasers sus-cités avec de très larges rubans dont le champ lointain est multi-lobes et se dégrade fortement avec une augmentation du courant. La FWHM mesurée varie de 11◦ à 13,1◦ pour des tensions de 11 à 15 V. Lorsque la tension est augmentée, le maximum d’émission se déplace de 0,5◦ à 3,2◦. Cette déviation du faisceau est attribuée à un battement entre les modes transverses d’ordre les plus bas, leurs indices effectifs étant proches les uns des autres. De ma- nière générale, elle peut être induite par du mélange à quatre ondes [173] lié à la forte susceptibilité non-linéaire dans les QCLs [174].
Afin de vérifier cette hypothèse, ainsi que pour l’étude qui sera menée dans la partieIV.4, les modes optiques ont été simulés avec comlase. Pour ces simulations, l’indice de la zone active est fixé à 3,19, à 1 pour le SiO2 de la couche d’isolation (d’après la base de donnée de matériaux de COMSOL) et à 3,09 pour l’InP:Fe. Les LOC et l’InP:Si des couches guidantes sont modélisés par un modèle de Drude avec une permittivité haute fréquence ∞ = 9, 61, une masse effective de l’électron de
m? = 0, 08 et un temps de diffusion de l’électron de τscat = 0,1 ps. On obtient de
cette façon que la cavité peut supporter 6 modes transverses, dont nous représen- tons le mode fondamental, TM00, et le mode d’ordre le plus haut, TM05, sur les figures IV.6a etIV.6b.
(a) TM00. (b) TM05.
Figure IV.6: Mode fondamental, TM00 (IV.6a), et ordre le plus grand, TM05 (IV.6b).
Le recouvrement des modes avec la zone active ainsi que leur indice de réfraction effectif sont récapitulés dans le tableauIV.3.
Ordre Recouvrement avec Indice de du mode la zone active (%) réfraction effectif
TM00 58.58 3.1305 TM01 58.38 3.1284 TM02 58.03 3.1248 TM03 57.51 3.1199 TM04 56.73 3.1136 TM05 55.51 3.1059
Table IV.3: Recouvrements avec la zone active et indice de réfraction effectif des 6 modes transverses.
Plus l’ordre d’un mode est élevé, plus le recouvrement dans l’InP:Fe augmente. En comparaison, dans le cas des QCLs en configuration DT cette différence de recouvrement est bien plus faible, étant donné que les modes sont mieux confinés
CHAPITRE IV. MISE EN FORME DU FAISCEAU 104 latéralement par le diélectrique. La différence de recouvrement entre les modes TM00 et TM05 est de ∆Γ = 3, 1% pour le composant étudié, alors qu’elle n’est que de ∆Γ= 0, 87% pour un QCL DT équivalent, de 32 µm de large. Ainsi, l’InP:Fe sert également à filtrer les modes d’ordre supérieur. Le beam-steering observé peut ainsi être attribué à un battement entre les modes TM00 et TM01 [173]. Celui-ci est favorisé par une faible différence entre leur indice effectif (∆nef f = 2, 1 × 10−3).