Des sources lasers disponibles

Les circuits d’optique intégrée ont besoin d’une source de lumière cohérente pour être caractérisés. Dans le domaine MIR, la première source laser disponible a été un accélérateur d’électrons, appelée aussi synchrotron. Il est usuellement utilisée pour sa capacité à générer des faisceaux de rayons X très intense comme à l’ESRF de Grenoble [93] mais les synchrotrons sont également capables d’émettre dans le domaine infrarouge. Faisant partie de la classe des grands instruments avec des dimensions allant de quelques mètres à plusieurs kilomètres, ce type de source est peu adaptée pour l’optique intégrée. Dans les années 60, les premiers lasers à base de sel de plomb (i.e. PbS, PbSe, PbSnTe, etc.) sont mis au point [94]. Ils constituent les premières sources compactes infrarouges. Leur principal inconvénient vient du fait qu’ils ne fonctionnent qu’à température cryogénique et sont donc peu pratiques à utiliser. Dans les années 90, deux nouvelles sources lasers MIR à base de matériaux III-V sont démontrées expérimentalement et constituent aujourd’hui des sources performantes et populaires : le laser à cascade quantique et le laser à cascade interbande.

2.2.1.Laser à cascade quantique

Les lasers à cascade quantique (QCL : Quantum Cascade Laser) sont fabriqués à base d’alliage de matériaux III-V tels que InGaAs, AlInAs, GaAs et AlGaAs [95]. Ceux-ci sont déposés en très fines couches, de l’ordre de l’angström, sur des substrats InP par des procédés d’épitaxie par jet moléculaire (MBE : Molecular Beam Epitaxy) ou par épitaxie de composés métallo-organiques en phase vapeur (MOCVD : MetalOrganic Chemical Vapour Deposition). Ces fines couches forment des puits quantiques qui vont offrir le gain nécessaire pour une émission de photons dans l’infrarouge moyen. Dans une diode laser classique, les photons sont émis lors d’une recombinaison électron- trou radiative au sein d’un matériau semi-conducteur (Figure I-20a). Un électron situé dans la bande de conduction à une énergie E2 passe dans la bande de valence à une énergie E1 en émettant un

photon dont l’énergie est égale à celle séparant bande de valence et bande de conduction (ε=E2-

E1=hν). On appelle cela une transition interbande. La longueur d’onde du laser est donc

dépendante de la bande interdite du matériau. Dans un QCL, les couches successives de matériaux forment des puits quantiques qui ont la particularité de créer des niveaux d’énergie discrets au sein de la bande de conduction. Cette fois-ci, les électrons passent d’un état E2 à un état E1 au sein

même de la bande de conduction (Figure I-20b). Cette transition est appelée transition inter-sous- bande. Ces puits quantiques sont cascadés un grand nombre de fois pour fournir un gain suffisant afin de créer l’effet laser. Les zones de gain optique sont alternées avec des zones permettant de remonter les électrons sur des niveaux d’énergie supérieures afin de leur faire subir de nouveau une cascade de désexcitation radiative. La modification de la nature et de l’épaisseur des couches permet

Chapitre I- La photonique sur silicium dans le moyen infrarouge

d’ajuster la longueur d’onde d’émission des QCLs. Ils peuvent ainsi couvrir une gamme spectrale très large, allant de 3 µm à 25 µm à température ambiante [96] et de 60 µm à 330 µm lorsqu’ils sont refroidis cryogéniquement [96], [97]. Expérimentalement, la première démonstration du laser à cascade quantique a été faites par J. Faist en 1994 [98]. Ce premier QCL opérait à une température de 10 K en mode pulsé avec une puissance crête de 8 mW et émettait à λ=4,2 µm. Depuis les QCLs ont énormément évolué et ceux-ci sont capables de fonctionner à température ambiante, de façon continue, et de délivrer plusieurs watts optiques.

Figure I-20 : Principe de l’émission radiative dans deux types de lasers à semi-conducteurs : diode laser et QCL. a) Diode laser : émission de photons par recombinsaison électron-trou dans un matériau à bande interdite (i.e. gap) directe, b) QCL : transition électronique radiative au sein de la bande de conduction

dans des puits quantiques. Les électrons passent d’un puit à l’autre par effet tunnel.

2.2.2.Laser à cascade interbande

Moins populaire que son homologue à cascade quantique, le laser à cascade interbande (ICL :

Interband Cascade Laser) a été inventée en 1994 puis démontrée expérimentalement en 1997 [99]. Il

est également fabriqué en matériaux III-V par technique d’épitaxie MBE. Les couches successives formant le laser sont déposés sur des wafers de GaSb. Les alliages utilisés sont typiquement InAs, AlSb et GaInSb. Son fonctionnement est à mi-chemin entre une diode laser et un QCL. Le laser exploite des transitions interbandes (Figure I-21) qui sont cascadées. Entre chacune de ces jonctions, de multiples puits quantiques, appelés « injecteur d’électrons » et « injecteurs de trous », permettent de repeupler en porteur les bandes de conduction et de valence avant la prochaine région active. Les ICL utilisant des transitions interbandes, ceux-ci sont limités par les caractéristiques des matériaux. La gamme de longueur d’onde atteignable est donc plus restreinte que celle des QCL et s’étend de 3 à 6 µm. Tout comme les QCL, les ICL opéraient à leur début à des températures cryogéniques et sont aujourd’hui capables de fonctionner à température ambiante voire plus (Tmax=118 °C). En revanche, les ICL atteignent des puissances optiques moindres, de

l’ordre de quelques centaines de milliwatts maximum. Leur avantage principal réside dans leur efficacité énergétique bien supérieure, avec des courants de seuil inférieurs à ceux des QCL. Ces lasers visent des applications de faible puissance optique où la consommation énergétique est un critère important. BC BV ε=E2-E1=hν E E₁ E₂ hν hν hν

a)

b)

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Figure I-21 : Schéma de fonctionnement d’un laser à cascade inter-bande de type II. L’émission de photons se fait par recombinaison radiative électron-trou. Les porteurs passent dans plusieurs régions actives mises

en cascade et passent d’une région à l’autre par effet tunnel (Source : Yang et al. [100]).