Spectroscopie en champ proche

Pour un VCSEL multimode, l'image obtenue est un mélange des répartitions spatiales de chacun des modes présents dans le spectre d'émission. Par exemple, les images optiques SNOM (gure 4.18) d'un VCSEL à PQ d'InGaAs très contraints de diamètre d'oxyde de 6 µm, présentant des modes d'oxyde et/ou des modes de cavité selon le courant injecté, ont été enregistrés pour trois courants diérents. Malgré une très bonne résolution de la structuration du mode au centre du diaphragme, ces observations ne permettent pas de mettre en évidence l'apparition du mode de cavité à 5 mA, ni de distinguer les modes de cavité et les modes d'oxyde. Nous avons donc réalisé des observations en champ proche résolues spectralement. Le but de ces observations est de ltrer spectralement le signal recueilli par la sonde an de séparer les répartitions spatiales de chaque mode. Pour cela, un monochromateur reçoit le signal provenant de la sonde. Positionné à une longueur d'onde connue d'un des modes du spectre, il renvoie le signal ltré au détecteur. L'image du mode sélectionné par ltrage est alors enregistrée. Nous avons réalisé cette mesure sur un VCSEL à PQ d'InGaAs très contraints de diamètre d'oxyde de 6 µm présentant des modes d'oxyde et des modes de cavité. Les images optiques SNOM résolues spectralement sont représentées en gures 4.19, 4.20 et 4.21 pour trois courants diérents (4 mA, 5 mA et 6 mA). Il faut noter que bien que les VCSEL émettent une puissance totale de l'ordre du milliwatt, l'ouverture de 50 nm ne couple qu'une très faible partie de ce signal contrairement au couplage obtenu avec une pointe polymère non

4.3. Observation de la répartition spatiale des modes 118 1250 1255 1260 1265 1270 1275 1280 Longueur d'onde (nm) diamètre d'oxyde 6 µm 4 mA 5 mA 6 mA modes d’oxyde modes de cavité

Fig. 4.18  Images topographique, images optiques SNOM et spectres d'un VCSEL à PQ d'InGaAs très contraints de diamètre d'oxyde de 6 µm enregistrés à diérents courants.

métallisée (80% de couplage avec un laser ruban). La puissance ltrée à la sortie du monochromateur est alors encore moins importante. C'est pourquoi les pics les moins intenses du spectre d'émission n'ont pas pu faire l'objet d'une image en champ proche (par exemple les modes d'oxyde peu intense à 6 mA).

A la vue des images des gures 4.19, 4.20 et 4.21, on peut tout d'abord constater que, pour un diaphragme d'oxyde de 6 µm, les modes d'oxyde ne sont pas uniquement localisés à la périphérie du diaphragme d'oxyde. On remarque que les modes d'oxyde (a, b, c, d, e, f, g, h et j en gures 4.19, 4.20 et 4.21) possèdent une structuration en nombreux lobes également présents au centre du diaphragme. Par exemple, on distingue six et douze lobes, respectivement, sur les modes d'oxyde c et d, tandis que les modes de cavité k et l ne comptent que deux et un lobes. La qualité des images nous permet d'identier les modes observés à certains modes LPl,m suivant le nombres de noeuds au niveau azimutal et radial.

Les identications les plus évidentes sont données dans le tableau 4.1. Les modes de cavité, observés à 5 et 6 mA, correspondent aux modes dont les indices eectifs, calculés par le modèle de la bre optique, sont les plus élevés. Par exemple, les modes i et l, présents respectivement à 5 et 6 mA, sont identiés au mode fondamental LP0,1. D'après les simulations (4.2.3), la longueur d'onde des modes d'oxyde semblait

favoriser les modes d'ordre azimutal élevé (l=6,8,10) et d'ordre radial faible (m=1). Cependant, les modes d'oxyde observés possèdent des ordres plus élevés que ceux du calcul, en particulier l'ordre radial m.

Le modèle utilisé par le solveur de mode pour le calcul des modes supportés par une structure VCSEL oxydée semble incomplet car certains modes d'oxydes observés en haute résolution ne font pas partie des solutions du calcul. Si les simulations en deux dimensions eectuées dans cette étude prennent en compte les paramètres géométriques ainsi que les indices des matériaux, elles mettent de côté des eets non négligeable dans le fonctionnement d'un VCSEL. Il faudrait en particulier tenir compte de l'injection

4.3. Observation de la répartition spatiale des modes 119 1245 1247 1249 1251 1253 1255 1257 1259 1261 1263 1265 1267 1269 1271 1273 1275 Longueur d'onde (nm)

4 mA

Fig. 4.19  Spectre d'émission à 4 mA d'un VCSEL à PQ d'InGaAs très contraints de 6 µm de diamètre d'oxyde et images SNOM résolues spectralement correspondantes. Un cercle discontinu de 6 µm de diamètre a été arbitrairement centré sur les images pour mettre en évidence la dimension du diamètre d'oxyde du VCSEL.

non uniforme des porteurs dû au connement et accentuée par la géométrie annulaire du contact [18], ainsi que des eets thermiques associés, comme la modication thermique des indices de réfraction dans la structure. Des modèles relativement complets du fonctionnement des VCSEL ont été élaborés [19, 20], modèles dans lesquels les interactions thermo-électro-optiques sont présentes. Ces modèles pourraient permettre de mieux comprendre la sélection des modes transverses dans nos VCSEL à puits quantiques d'InGaAs très contraints.

images optiques SNOM mode LPl,m

mode de cavité i,l LP0,1

k LP1,1

modes d'oxyde d,g LP2,4

c,f LP1,4

Tab. 4.1  Identication de quelques modes d'oxyde et des modes de cavité du VCSEL, à PQ d'InGaAs très contraints et de 6 µm de diamètre d'oxyde, étudiés par microscopie en champ proche spectralement résolue.

4.3. Observation de la répartition spatiale des modes 120 1250 1252 1254 1256 1258 1260 1262 1264 1266 1268 1270 1272 1274 1276 1278 1280 Longueur d'onde (nm)

5 mA

Fig. 4.20  Spectre d'émission à 5 mA d'un VCSEL à PQ d'InGaAs très contraints de 6 µm de diamètre d'oxyde et images SNOM résolues spectralement correspondantes. Un cercle discontinu de 6 µm de diamètre a été arbitrairement centré sur les images pour mettre en évidence la dimension du diamètre d'oxyde du VCSEL.

4.3. Observation de la répartition spatiale des modes 121 1255 1257 1259 1261 1263 1265 1267 1269 1271 1273 1275 1277 1279 1281 1283 1285 Longueur d'onde (nm)

6 mA

Fig. 4.21  Spectre d'émission à 6 mA d'un VCSEL à PQ d'InGaAs très contraints de 6 µm de diamètre d'oxyde et images SNOM résolues spectralement correspondantes. Un cercle discontinu de 6 µm de diamètre a été arbitrairement centré sur les images pour mettre en évidence la dimension du diamètre d'oxyde du VCSEL.