VECSEL à boites quantiques

4.2.2.1 Design de l’échantillon

Afin de réaliser le VECSEL à BQs, la zone active est épitaxiée avec les paramètres de croissance choisis dans le Chapitre 2 sur un substrat InP(311)B de deux pouces, et porte le numéro

149 d’échantillon 6394-2. La structure utilisée pour la saturation d’absorption (4 × 5 plans de BQs, séparés par des épaisseurs d’InP distinctes) est reproduite quasiment à l’identique sur la plaque 6394-2, avec en plus une couche de phase de 460 nm d’InP complétée par une couche d’arrêt d’InGaAs et une fine couche (10 nm) de quaternaire qui sert de couche de fusion pour les miroirs de Bragg. Le schéma de la zone active est présenté à la Figure 4.13(a).

Figure 4.13 : (a) Schéma de l’empilement de la zone active à BQs. (b) Simulation du champ stationnaire dans la zone active à BQs et du début du DBR.

Le choix du nombre de plans de BQs (5-5-5-5) par rapport aux nombre de puits quantiques du premier VECSEL (4-2-2) vient de l’épaisseur plus faible des plans de BQs. Pour les BQs, qui de plus ne recouvrent pas toute la surface du plan, l’épaisseur du plan est de 2,4 nm contre 7 nm pour les PQs, ce qui baisse le facteur de recouvrement et donc le gain modal. Nous compensons ce manque de gain en ajoutant plus de plans de BQs par groupe, et un groupe supplémentaire. Au niveau des épaisseurs d’InP pour l’empilement, elles sont calculées pour coïncider avec les nœuds de l’onde stationnaire optique de la cavité, et les ventres pour correspondre aux plans de BQs. Il est à noter, comme nous pouvons le voir sur la Figure 4.13(b), qu’une couche d’InP est laissée vide de BQs. Ceci permet de décaler le 4ème groupe de plans sur le prochain ventre, et ainsi de croître une épaisseur d’InP plus importante (260 nm contre seulement quelques nm), ce qui est nécessaire pour retrouver une surface parfaitement plane lors de la croissance MBE avant de poursuivre l’empilement.

4.2.2.2 Caractérisations spectrales de la zone active

Nous avons également réalisé avant la fusion des plaques, par soucis de vérification, la PL de l’échantillon 6394-2. La plaque présente une différence notable bord-centre. Malgré cette séparation, elle est homogène au sein des deux zones, comme le montre les spectres de PL réalisés

150

au laboratoire et présentés à la Figure 4.14(a) et (b). De longueur d’onde et largeur à mi-hauteur similaires, la différence se fait surtout dans l’intensité de PL, globalement 1,5 à 2 fois plus intense au bord. Sur les spectres de PL, on notera un léger épaulement vers 1,65µm, lié à l’émission de la couche d’arrêt d’InGaAs.

Figure 4.14 : Cartographie de PL de l’échantillon 6394-2 réalisée au laboratoire sur quelques points (a) au centre de la plaque et (b) sur le bord.

4.2.2.3 Caractérisations spectrales du DBR et de la structure fusionnée

La plaque épitaxiée de deux pouces a ensuite été envoyée à l’EPFL pour être fusionnée par le même procédé que pour la puce à puits quantiques au DBR constitué de 29,5 paires d’AlAs/GaAs. Le DBR a également été caractérisé par l’EPFL en établissant une cartographie spectrale, présentée à la Figure 4.15, afin de s’assurer de l’homogénéité de celui-ci.

Figure 4.15 : Cartographie spectrale réalisée par l’EPFL sur le DBR avec (a) un exemple du spectre du DBR, (b) la cartographie de la longueur d’onde centrale du DBR pour toute la plaque et (c) suivant la ligne violette tracée sur la cartographie.

151 Sur le spectre du DBR présenté en (a), nous voyons qu’il est centré à 1540 nm, et large de 160 nm. Sur la cartographie, nous observons que le DBR est bien homogène : même si sur l’extrême bord de la plaque la longueur d’onde passe de 1546 nm à 1532 nm, l’écart type reste très faible, et vaut 0,3%.

Par conséquent, la fusion de la zone active et du DBR est réalisée. La structure fusionnée schématisée à la Figure 4.16(a) a pour référence OVE31. La grande différence avec la structure à PQs est que le substrat GaAs n’a pas été enlevé. En effet, le choix de la gestion de la thermique s’est porté sur l’insertion d’un diamant intracavité, car normalement plus performant niveau thermique, et impliquant de conserver le substrat GaAs. La fusion des deux plaques a réussi, comme nous pouvons le voir sur la photographie d’un quart de la plaque, présentée à la Figure 4.16(b).

Figure 4.16 : (a) Schéma de l’empilement du ½-VCSEL à BQs (OVE31). (b) Photographie d’un quart de la plaque OVE31.

La cartographie de PL de la structure finale est ensuite effectuée. La Figure 4.17 présente cette cartographie réalisée par l’EPFL sur toute la plaque de deux pouces, avec en (a) la longueur d’onde centrale de l’émission et en (b) l’intensité du pic. Cette cartographie montre un comportement assez atypique en comparaison des structures régulièrement réalisées par l’EPFL (comme la structure à PQs), puisque nous observons une importante inhomogénéité en longueur d’onde et en intensité de PL sur toute la surface de la plaque. En effet, nous observons une séparation bord-centre très marquée pour l’intensité, où ici l’extérieur de la plaque produit une plus grande intensité, jusqu’à trois fois plus forte que celle mesurée au centre. Concernant la longueur d’onde, nous constatons également une importante disparité entre le centre et le bord, de plus de 180 nm.

152

Figure 4.17 : Cartographie complète de la PL du ½-VCSEL OVE31 réalisée par l’EPFL, avec (a) la longueur d’onde centrale de l’émission (b) l’intensité de la PL. Les cadres du (a) correspondent aux quarts envoyés au laboratoire (en rouge) et à l’université de Tampere (en bleu). (c) et (d) sont les spectres superposant la réflectivité (courbe noire) et la PL (courbe bleue), mesurées au laboratoire, respectivement au bord et au centre. Les croix sur la figure (b) indiquent où ces deux caractéristiques ont été mesurées.

Pour plus de lisibilité, nous avons également représenté à la Figure 4.17(c) et (d) les spectres de PL et de réflectivité mesurés au centre et au bord de la plaque. Nous retrouvons l’importante variation de l’intensité de PL. Si nous considérons le pic de résonance principal, nous avons un rendement de PL qui est jusqu’à 5 fois plus fort sur le bord qu’au centre. En bord de plaque en particulier, l’intensité est la plus intense, la PL est centrée à 1514 nm, et avec une largeur de raie de 26 nm. Par rapport à la précédente cartographie de PL (avant fusion), la PL des BQs était centrée à 1510 nm, avec une largeur de raie de 140 nm. Cette réduction de la largeur de raie est liée aux effets de résonnance. La proximité des longueurs d’onde avant et après fusion montre que l’on a un relativement bon accord de la sous-cavité résonante du ½-VCSEL sur les bords de la plaque, alors qu’au centre on observe deux modes de résonance, avec une émission principalement centrée à 1590 nm. Ce constat nous indique que le mode de résonance au centre n’est pas identique au mode observé au bord de la plaque. Les mesures précédentes de cartographie de PL réalisées sur le DBR

153 et sur l’échantillon 6394-2 à BQs avant fusion ayant montré une homogénéité spectrale satisfaisante, nous pouvons donc conclure que l’inhomogénéité spectrale observée après fusion de la ½ cavité VCSEL est ici la conséquence d’une inhomogénéité en épaisseur des couches d’InP séparant les différents groupes de BQs. A partir de ces spectres, nous avons estimé que ces couches d’InP devaient être plus épaisses de l’ordre de 5 % au centre, et conformes sur les bords au design de la Figure 4.13. En complément des spectres de PL, la Figure 4.17(c) et (d) montre également les spectres de réflexion, permettant en particulier de visualiser les modes de résonance de la cavité. Par comparaison avec la structure à PQs, nous voyons que le mode de résonance est ici bien plus marqué et bien plus fin avec la structure à BQs, conséquence de la plus faible absorption des BQs. La plaque de 2 pouces est finalement découpée en quatre cadrans, dont nous récupérons le quart haut-gauche. Il est lui-même clivé par la suite en plusieurs morceaux. Le quart symétrique au nôtre a été envoyé à l’université de Tampere pour des expérimentations visant à en extraire le maximum de puissance. Grâce aux cartographies de PL de la puce ½-VCSEL, nous pouvons viser où pomper préférentiellement. Ainsi, le centre de la plaque est à éviter alors que le bord est à privilégier.