IV.3 L’utilisation de lasers larges
IV.3.4 Utilisation d’un ruban à section évasée
Afin de combiner les avantages des QCLs avec un ruban large, permettant de fortes puissances, et celle des rubans étroits, qui n’autorise que le mode transverse fondamental, des rubans avec une section évasée, ou taper, peuvent être utilisés. Une vue schématique d’un tel composant est représentée sur la figureIV.7.
Figure IV.7: Schéma d’un QCL avec section évasée et nomenclature.
La partie de gauche correspond à un ruban étroit, de largeur Wret possède pour
seul mode transverse le fondamental, TM00. Celui-ci se propage sur une longueur
Lr avant d’entrer dans la section évasée où il s’élargit adiabatiquement en étant
amplifié sur une longueur Lt jusqu’à la facette de sortie de largeur Wt.
Les avantages de ces structures sont multiples. Elles permettent comme nous l’avons mentionné d’offrir une large zone de gain, ce qui offre la possibilité d’atteindre de fortes puissances, mais également de diminuer la densité de puissance optique à la facette. Cela réduit les risques de dégâts optiques critiques (COD), une trop forte absorption à la facette pouvant détruire celle-ci.
Les sections évasées ont ainsi permis de réduire la divergence du faisceau d’un QCL de 49,8◦ à 6,6◦ tout en offrant des puissances crêtes supérieures à 200 mW à 8,9 µm [175]. À 4,7 µm, des puissances de 4,5 W en CW ont été atteintes avec une bonne qualité de faisceau [176]. L’élargissement du mode en propagation libre n’étant pas linéaire, des évasements non-rectilignes, et notamment exponentiels, ont également été développés dans le proche-infrarouge pour optimiser l’utilisation des porteurs [177,178], sans avoir été à notre connaissance testés avec des QCLs. Ces géométries “en trompette” servent également à éviter une instabilité de la section évasée [179]. Pour la même raison, toute réflexion à la facette de sortie doit être évitée, soit par utilisation d’un dépôt anti-reflet, soit en introduisant un angle entre la facette et la direction de propagation. Cette dernière approche a été employée avec des QCLs [90].
Nous rapportons dans cette partie des éléments de conception d’un QCL à section évasée ainsi qu’une démonstration de faisabilité technologique. Pour cette étude,
CHAPITRE IV. MISE EN FORME DU FAISCEAU 105 nous avons cherché à concevoir des QCLs de puissance à section évasée émettant à 4,5 µm. La largeur de la section droite est fixée à 6 µm afin que seul le mode fondamental puisse y exister. La propagation du mode dans la section évasée a ensuite été simulée avec le logiciel FIMMWAVE. L’indice de réfraction de la zone active est fixé à 3,3, et celui des couches guidantes à 3,1. La longueur du taper Lt
a été variée de 100 µm à 3 mm pour trois largeurs de facette de sortie différentes,
Wt= 25, 50 et 90 µm. Un exemple de mode se propageant dans un taper de 1 mm
avec une largeur en sortie de 25 µm est représenté sur la figureIV.8.
Figure IV.8: Propagation du mode fondamental de la section droite dans la section évasée pour une facette de sortie de Wt= 25 µm.
On retrouve que le mode s’élargit bien en se propageant le long du taper. Néan- moins, on observe également que la puissance du mode fluctue longitudinalement, ce qui traduit un couplage avec d’autres modes d’ordre supérieur. Afin de dimension- ner le taper pour avoir la largeur, et donc la puissance, maximale tout en évitant ce couplage avec des modes d’ordre supérieur qui détériorerait la qualité de faisceau, nous avons analysé la distribution de puissance entre les modes transverses pour les trois géométries en fonction de la longueur du taper. Les résultats obtenus sont reportés sur la figureIV.9.
CHAPITRE IV. MISE EN FORME DU FAISCEAU 106 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 TM00 TM01 TM02 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Distribution de la puissance (%) TM00 TM02 100 500 1000 1500 2000 2500 3000 Longueur du taper (µm) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 TM00 TM02 TM04 Wt = 25 µm Wt = 50 µm Wt = 90 µm
Figure IV.9: Évolution de la distribution de puissance entre les modes transverses selon la longueur du taper pour les trois largeurs de facette de sortie Wtétudiées.
Le couplage du mode fondamental avec les modes d’ordre impair est impossible, à cause de la différence de parité. La simulation le valide pour les trois configurations, nous n’avons donc représenté que le mode TM01 pour la première géométrie, les autres modes impaires étant identiquement négligeables. Les autres modes d’ordre pair peuvent cependant se coupler avec le fondamental. Ainsi, dans le cas où Wt=
25 µm, le mode TM02 existe et peut avoir 25% de la puissance totale pour des tapers de 100 µm de long. En effet, plus le taper est court, moins la propagation sera adiabatique et plus les modes d’ordre élevés seront exaltés. Comme règle empirique, il faut choisir l’angle θtsous la limite de diffraction θdif f ≈ Wt/λ. Ainsi, plus de 94%
de la puissance est dans le mode fondamental pour des tapers plus long que 420 µm pour Wt= 25 µm. Plus la facette de sortie est large, plus l’angle θt est grand, plus
les modes d’ordre supérieur seront exaltés et plus le taper devra être long. Ainsi pour une facette de 50 µm, il faut un taper de 1650 µm pour obtenir 94% de la puissance dans le mode fondamental. Pour une facette de 90 µm, même avec un taper de 3 mm de long, on n’obtient qu’un maximum de 93% de la puissance dans le mode fondamental. Le mode TM02, et dans une moindre mesure TM04, gardent un pourcentage élevé de la distribution de puissance.
Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé un procédé de fabrication de QCLs à section évasée linéaire et exponentielle. Des images de QCLs de tests à section évasée linéaire définis dans le masque dur de SiO2 avant gravure du ruban sont représentées sur la figure IV.10a.
CHAPITRE IV. MISE EN FORME DU FAISCEAU 107
(a) Lithographie de QCLs en trompette. (b) QCLs à section linéaire en fin de fabrica- tion.
Figure IV.10: Image lors du procédé de fabrication des QCLs à section évasée après lithographie du ruban (IV.10a) et en fin de fabrication (IV.10b).
Des images de QCLs de tests à section évasée exponentielle en fin de techno- logie face avant, après croissance des plots d’or électrolytique, sont affichées sur la figure IV.10b. Nous avons ainsi validé le procédé de fabrication de QCLs avec taper de bout en bout. La prochaine étape étant la réalisation de tels composants avec une vrai plaque, comportant une zone active.
IV.3.5 Conclusion
En conclusion, nous avons montré qu’il était possible d’obtenir des QCLs SIBH présentant de fortes puissances à la fois crêtes et moyennes en employant des rubans larges, de l’ordre de 30 µm. Nous avons ainsi fabriqué des composants avec des puissances crêtes de 11,4 W et moyennes supérieures à 1,6 W. La majorité de la puissance est concentrée dans un lobe, malgré la présence d’un épaulement et d’un peu de beam steering.
Nous avons également présenté des simulations de propagations optiques per- mettant de dimensionner des QCLs à section évasée. Ceux-ci permettent d’atteindre de fortes puissances optiques tout en ayant des faisceaux très faiblement divergents horizontalement. Les procédés de fabrication ont été développés et des réalisations sur des plaques avec des zones actives de puissance doivent être effectuées prochai- nement.