Structure et spectre d'émission d'un laser à semi-conducteur

Il existe un certain nombre de lasers à semi-conducteurs ayant des configurations et structures variées. Par exemple les lasers ruban à émission par la tranche, les lasers VCSEL (laser à cavité verticale émettant par la surface), comme les cavités Fabry-Pérot ou à réseau (DFB), offrent une grande variété de choix pour les applications. Suivant les cavités optiques utilisées, cavité Fabry- Pérot, ou cavité à réseau de type DFB, le laser oscillera sur plusieurs raies (longueurs d’onde), ou sur une seule. Les courants de seuil, les puissances d’émission optique, les rendements énergétiques, les diagrammes de rayonnement, les puretés spectrales sont autant de propriétés qui pourront être optimisées en configurant au mieux les paramètres géométriques et les compositions des matériaux de la structure. Les lasers à semi-conducteurs sont très compacts, présentent un bon rendement énergétique et ont une bonne capacité de modulation de la lumière par le courant. Leur coût de fabrication reste faible et la technologie performante et fiable.

CHAPITRE 2 49 Ils sont notamment utilisés dans les télécommunications, généralement à des longueurs d'onde de 1,31 et 1,55 µm correspondant au minima d'absorption des fibres optiques. Ils sont également utilisés pour le stockage et la lecture optique d'informations sur CDROM grâce à la qualité du faisceau, ou encore dans le pompage d'autres lasers à solide : des diodes lasers regroupées en barrettes, dont la longueur d’onde est ajustée à la bande d’absorption du milieu amplificateur sont devenues les sources de pompage presque exclusives des lasers à solide et à fibre.

Concernant la structure des lasers à semi-conducteurs émettant dans la bande de 1,3 à 1,6 µm, pour que l'inversion de population soit réalisée, le matériau du milieu actif est placé entre deux couches de matériau InP, dopées respectivement p (matériau accepteur d'électrons) et n (matériau donneurs d'électrons). Ces deux zones sont séparées par une bande interdite (« gap ») de valeur Eg importante. Le polarisation directe de la diode permet de créer une forte densité de paires électrons- trous et donc une zone de recombinaison dans le plan de la jonction. Les barrières de potentiel créées à l’interface de cette couche avec les régions n et p de bande interdite plus élevée permettent de confiner les paires-électrons sur l’épaisseur de la couche "électrons". Cette structure appelée double hétérojonction, forme également un guide optique pour les photons, ce qui contribue à une meilleure interaction avec les électrons et, par conséquent, à un taux d’émission stimulée plus élevé. Une diminution du volume de cavité par réduction de la surface de la diode est aussi un moyen approprié pour diminuer le courant produisant l’inversion. De la même façon que le dispositif de confinement réalisé dans la direction verticale, on utilise dans la direction perpendiculaire un guide de section rectangulaire qui confine simultanément le rayonnement émis et les porteurs injectés. Les dimensions géométriques et les variations latérales d’indice de réfraction imposent le mode de répartition de l’intensité lumineuse à l’intérieur de la cavité. On parle alors de laser monomode transverse lorsqu’une seule répartition peut s’établir dans la cavité, ou de laser multimode transverse, quand plusieurs distributions modales peuvent subsister [Dua15].

Les structures à base de puits quantiques multiples (MQW : Multiple Quantum Wells) ont été développées depuis les années 1980 et sont composées d’un empilement de couches d’épaisseurs inférieures à 10 nm appelées puits quantiques. Ils sont séparés par des couches formant une barrière en matériau de plus grande énergie de bande interdite Eg. Les porteurs sont alors confinés dans les

puits. En raison de la très faible épaisseur des puits, les porteurs ne peuvent occuper que certains niveaux d’énergie. On peut ainsi atteindre de très grandes densités de porteurs à ces niveaux d’énergie, et augmenter fortement l’efficacité de recombinaison radiative. Le gain différentiel et le courant de seuil se trouvent donc améliorés. Plus récemment, les boîtes quantiques et les bâtonnets quantiques auto-assemblés sur un substrat semi-conducteur ont été développés pour la réalisation de lasers.

L’énergie du photon associé à la recombinaison des électrons-trous est alors égale à celle du « gap » auquel il faut ajouter les énergies des états excités de l’électron et du trou dans chacune de

CHAPITRE 2 50 ces bandes, produisant ainsi des photons par émission spontanée et émission stimulée. L'amplification est produite sur une plage de longueur d'onde proche de la longueur d'onde de bande interdite _=N

O, avec c la célérité de la lumière dans le vide et h la constante de Planck.

Le phénomène d’émission stimulée apparaît quand les populations des électrons et des trous injectés deviennent suffisamment importantes. L’amplitude de l’onde lumineuse augmente de façon exponentielle exp(gz) (avec g le coefficient de gain et z la distance parcourue). Une approximation de ce gain est donnée par l’expression : P = P_#Γ( ( ) − ), où ( ) est la densité de porteurs injectés par unité de volume, la densité de porteurs à la transparence optique (lorsque la condition d'inversion de population est satisfaite), Γ un nombre sans dimension donnant la proportion de lumière se propageant dans la région active (ou facteur de recouvrement) et gd le gain

différentiel qui mesure la vitesse d'augmentation du gain avec la densité de porteurs ( ) : P_#=#(_#R. Le gain est obtenu sur une bande énergétique et sa valeur dépend donc de la nature du milieu actif et du nombre de porteurs injectés (voir Figure 2.3).

Figure 2.3 : Spectres de gain et longueur d'onde d'émission pour une diode laser Fabry-Pérot et une diode DFB