HAL Id: pastel-00001046
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Frédéric Dross
To cite this version:
Frédéric Dross. Bipolar cascade laser sources for directly modulated links. domain_other. Télécom
ParisTech, 2004. English. �NNT : 2004 E 017�. �pastel-00001046�
ECOLE DOCTORALE EDITE
Thèse
Présentée pour obtenir le grade de docteur de l’Ecole Nationale
Supérieure des Télécommunications
FREDERIC DROSS
SOURCES LASER A CASCADE BIPOLAIRE POUR LA
MODULATION DIRECTE
Soutenue le mardi 9 novembre 2004 devant le jury composé de :
Pr. Slimane Loualiche
Président
Pr. Françoise Lozes-Dupuy
Rapporteur
Dr. Joël Jacquet
Rapporteur
Dr. Jean Chazelas
Examinateur
Pr. Afshin Daryoush
Examinateur
Pr. Borge Vinter
Examinateur
Pr. Philippe Gallion
Directeur de thèse
Dr. Frédéric van Dijk
Directeur de thèse
Direction :
Frédéric van Dijk
Microwave Photonics Lab.
Thales Research & Technology
Domaine de Corbeville
Philippe Gallion
Dept. COMELEC
ENST
En e début de vingt-et-unième siè le, les travauxde re her he ee tués sont plus que jamais le résultat du fon tionnement d'une équipe. J'aimerais ainsi remer iertouslesgensquiontparti ipédeprèsoudeloinà etravail.
Jeremer iePhilippeGallion,Professeuràl'ENSTpouravoirassuréla dire -tionuniversitairede ettethèse. J'aiégalementutilisésontempspré ieuxpour développerave sa ollaborationlemodèled'estimationdes ara téristiques dy-namiquesdesBCLet jeluiensuisre onnaissant.
Jeremer ieJulienNagle, o-responsabledudépartement omposantdeTRT, d'avoirposérégulièrementsonregard ritiqueetautésurmontravail. Ilatout àlafoisapportésonpointdevueé lairésurlathèseetfa ilitéà haqueinstant sondéroulement.
Je remer ie l'ensemble des personnes ave qui j'ai partagé la vie dulabo. Je pense en parti ulier à Mehdi Alouini, dont la larté des idées sur nos su-jetsrayonnebienendehorsdesonpropreesprit; ReynaldBoula-Pi ard,dont l'assuran eenmanipestpourmoiunmystèredéroutant; Jér meLopez, dont lapolyvalen e(théorie ommemanips, omposants ommesystèmes...) est un atoutsansprixpoursonéquipe;AlainEnard,dis ret ommepersonne,e a e omme inq ; Ni olas Mi hel, le roi du al ul analytique ; Chantal Moronva-lle,lesdoigtsdefée,l'assuran edelaréussited'unemaniptordue; Ja queline Lehoux, pour son expérien e et sonprofessionalisme ; CorinneDernazaretian et ses âblagesqui valentdel'or ! JepenseégalementàAlexandreMar eaux, dontlasimpli ité,l'é outepatienteetattentive,etles ompéten ess ienti ques sont desqualités autanthumaines queprofessionnellesqui en font un ollègue hors-pair. Mer iàtous,pourtoutes esdis ussionss ienti queset autres!
Jeremer ielesstagiairesdulaboratoire: François-Xavier,SébastienBerger, Damien Guilieri (quand tu veux pour un tennis) et Cé ilia Dupré. Mer i à Clément Thibon qui malgré ses âneries (désolé Clément, il n'y apas d'autres mots!),nousafourniuntravailexpérimental onséquent,quej'aid'ailleurspu intégrerdans mon manus rit. Mer i également àElroy Pluk pourla mise en pla ee a eduban detesten ourantpulsé(hartelijkdank!).
Mer iauxgensdulabo ommunMPL,etenparti ulierLoï Ménager,ave qui j'ai eu la han e d'é hanger quelquesvues sur lasommation. Je remer ie égalementJeanChazelas,responsableduMPL, quienplusd'avoirsus itéune bonne atmosphère dans la plupart des réunions, a a epté de faire partie de monjurydethèse. Sonta tet sonhumour enfontunex ellentmanager.
Mer i àPhilippe Bois, Eri Costard et leur(s) équipe(s) pour m'avoir a - eptéquelquesmoisdansleursalle. Toutel'équipepeutêtre èredeladernière réalisation(0.2K, 'estbiençà?),fruitd'une ollaborationdynamique,d'un ex- ellentniveaus ienti que,etd'uneatmosphèredetravailstimulante,or hestrés
étébienutiles.
Mer iégalementàMi helKrakowski,CarloSirtori,SukhdeepDhillon, Mar-tineCarbonelle,Mi helCalligaro,pourleuraidete hniqueet dis ussions surv-enuestout aulongduprojet. Mer iàChristopheKazmierskipourlesmanips de hamplointainenpulsé. Mer iaussiàShailendraBansropunpouravoir ap-portéunpeude haleuretbeau oupdebonnehumeurànotre ouloirex entré, et parfoismêmeune hansonsi otéequi restedanslatêtetoutelajournée!
Je remer ie Chantal Lermenier et Mme Touati pourleur e a ité. Je re-mer ieClaudeGrattepainpourlesmesuresSIMS.
Mer i à Françoise Lozes-Dupuy et Joël Ja quet pour avoir a epté d'être rapporteurde ettethèse. Mer iàAfshinDaryoushd'avoirfaitledépla ement pourassisteràlasoutenan e,etpourlesquelquesdis ussionsquiontpré édées et suivies ette soutenan e (thank you very mu h!). Mer i en ore à Slimane Louali he d'avoir a epté d'être Présid... en n, je veux dire porte-parole du jury. Leursolideexpérien eestungagedequalitépour etravail.
Un remer iementparti uliervaànotreépitaxieurpréféré,OlivierParillaud, toujoursprêt àreleverles dé sque nouslivrentless ien es desmatériaux, et à prendre un peu de son temps pour une dis ussion sur l'épitaxie, la vie, le monde...
Je voudraisremer ierégalementparti ulièrementNakitaVodjdani, respon-sabledulaboratoireoptique-hyperfréquen e. J'aipuappré ié sarigueur s ien-ti que, sa détermination, sa fran hise, sonhonnêteté et son expérien e s ien-ti ques. Nosdis ussionsaniméessonttoutesd'ex ellentssouvenirspourmoi!
La potion magique de ette thèse est due àun seul homme, undruide au talentimmense,BørgeVinter. Ilm'apatiemmentinitié au ulte dudieu HET-DIO,m'aexpliquélelangagequ'ilfallaitemployer,lesrèglesàrespe ter,etun beaujour, ommeparmira le,ladivinitéabienvoulu ommuniquerave nous, pauvresmortels. Ce travailte doitbeau oup,Børge!
Mes remer iements s'adressent en n tout parti ulièrement à Frédéri van Dijk, en adrantde ette thèse. Soné outeet sa disponibilitépermanentes ont été un soutien extrêmement rassuranttout aulong de la thèse. J'ai ainsi pu êtrele témoinimpressionéde sonoptimisme àtoute épreuve,de sonimmense uriosité s ienti que, de son adaptabilité à toutes les situations et toutes les personnalitéset desonsensaigudel'humainquiluiouvriront ertainementde grandesportes. Cesqualitéshumainesets ienti quesenontfaitunen adrant dethèsequebeau oupd'étudiantsthésards peuventm'envier.
Je remer ie également ma famille et mes amis pour leur soutien ontinu, pouravoirtenté deretenir lesujet de ma thèse et surtoutpour leurae tion sansborne.
J'aimerais nirparunepenséetendreetémuepourArianeLabat,qui om-prendtout, ettout leresteaussi!
1 Introdu tion générale
La te hnologie radar entame ette année son deuxième siè le. Le prin ipe reste in hangé (émission puis ré eption de signaux éle tromagnétiques hyper-fréquen epourdéte tiond'objetsdistants),maisleste hnologiesontfortement évolué. En parti ulier,lessystèmes a tuelsdoiventprésenterune bonne sensi-bilitésuruneplagede fréquen es'étalantdequelqueskHzàplusieursdizaines deGHz. Latransmissionsur breoptiquemonomodeprésenteune bande pas-sante supérieure deplusieursordresdegrandeuràlatransmissionéle tronique hyperfréquen e. Deplus,les bresoptiquesprésententdes ara téristiques mé- aniques(poidsetvolume)etd'insensibilitéaurayonnementéle tromagnétique quienfontdes omposantsde hoixpourlessystèmesembarqués. Néanmoins, pourêtre ompétitifave le âble oaxial,laliaisonoptique-hyperfréquen edoit dépasser lairement lesperforman es de son on urrent historique. Alors que les pertes dans la bre sont extrêmement réduites, le rendement de onver-sionéle tro-optique àl'émission, omme àlaré eptiondégrade legain hyper-fréquen edela liaison,et limite ainsisa ompétitivité. En parti ulier, legain d'uneliaisonoptiquehyperfréquen eàmodulationdire teestproportionnelau arrédurendementdulaser,quin'estàl'heurea tuellequed'environ1photon ouplédansla brepour10éle tronsinje tésdanslelaser.
Ce travaildethèseproposel'utilisation desour eslaserà as ade bipolaire pour améliorerles ara téristiquesdes liaisonsopto-hyperfréquen e à modula-tiondire te. SiN laserssont onne tésensérie(misen as ade),lamodulation de ourantsepropagedelaserenlaser. Lesignalhyperfréquen eestdon on-vertiN foisenmodulationdusignaloptique. En ombinantensuite essignaux onpeutpro ter dela onversionmultiple. Lerendementéle tro-optiquede la sour eetdon legainhyperfréquen edelaliaisonsontaméliorés.
Dans l'Introdu tion Générale,nous présentonsle prin ipedes lasersà as- ade bipolaire, ainsi qu'une bibliographie des re her hes ee tuées de par le mondesurlesujet. Leslasersà as adebipolaireontprin ipalementété dévelop-péspourtroisappli ations: augmenterlapuissan eoptiqueémise,enretardant ladestru tionoptiquedu omposant;augmenterlegainmodaldeslasersà av-ités verti ales, et améliorer ainsi leur performan es ; augmenter le rendement diérentielpourdesappli ationsoptique-hyperfréquen e. Sur ederniersujet, ilest né essaire d'obtenirunfon tionnementmonomodedu omposant, e qui n'apourl'instantpasen oreétéréalisé.
2 Emetteurà rapport signal-sur-bruitélevé :
dis- ussion sur les sour es à as ade bipolaire d'un
point de vue système"
Nous omparonsdansle hapitre2l'améliorationdugainhyperfréquen ed'une liaison optique omposée de plusieurs sour es laser dis rètes, suivant que les sour essont onne téesensérieouenparallèle. Les hémad'adaptationd'impédan e joueégalementunr leimportantpourdé nirl'améliorationquenouspouvons espérerdel'utilisationdetellessour es. Le asleplusrépandupourune trans-missionlargebandeest eluid'uneadaptationd'impédan erésistive: une résis-tan esupplémentaireestmiseensérieave lelaserpourobtenirunerésistan e de sour ede 50ohms. Dans e as pré is,il n'y apas d'améliorationdugain hyperfréquen e à espérer pour une onne tion en parallèle, alors que le gain hyperfréquen e d'une liaison utilisant une stru ture laser à as ade bipolaire augmente ommele arrédunombredelasersmisen as ade.
Pourvaliderexpérimentalement eteet,nousavonsutiliséquatrelasersde type butter y". Les lasers sont rappro hés au maximum les uns des autres pour éviter un déphasage entre les signaux optique-hyperfréquen e émis qui seraitsynonymedepertedepuissan ehyperfréquen e. Puis,nousavons polar-isé eslasersetinje té1mWdesignalhyperfréquen eà80MHzdanslasour e omposée des quatre lasers en série. En onne tant su essivementles bres issuesdeslasersàquatrebrasd'un oupleur44,nousobtenonsl'évolution ex-périmentaledugainhyperfréquen eenfon tiondunombredelasersmisensérie. La gure1montreunephotodumontageexpérimentaletune omparaisondes valeursobtenuesave lesvaleurspréditesparlathéorie.
Figure 1Expérien e pour validerlesexpressions théoriquesde l'amélioration dugainRF
(a)Montageexpérimental
12
8
4
0
amélioration du gain RF (dB)
4
3
2
1
Nombre de lasers connectés
Résultats expérimentaux
Théorie
(b)Résultatsexpérimentaux
L'ex ellent a ord entre la théorie et l'expérien e valide le al ul du gain hyperfréquen eee tué pourune sour e omposéede lasers dis rets ave une adaptationrésistive. Nousobtenonsthéoriquement, ommeexpérimentalement uneaméliorationdugainhyperfréquen edepresque12dBenutilisant4lasers dis retsmis en as ade.
En outre, lasommationdeplusieurssignauxoptiquespermet demoyenner lebruit d'intensité et don dediminuer lebruit d'intensité relatifde lasour e
omposite. Celui- is'é rit: R IN sour e = P i R IN lasi P 2 (opt)lasi P i P (opt)lasi 2 + X i6=j hÆP (opt)lasi ÆP (opt)lasj iP (opt)lasi P (opt)lasj P i P (opt)lasi 2 (1) Le deuxième terme représente les orrélations possibles entre les sour es debruit. L'utilisationd'isolateursoptiquespermetd'évitertouteréinje tionde puissan eoptiquedansleslasers. Deplus,nousavonsvéri éexpérimentalement que le niveau de bruit est le même lorsque les lasers sont polarisés en série ave lamêmesour ede ourantouave dessour esde ourantséparées. Cette dernière onstatationprouvequenousn'observonspasde orrélationdessignaux optiquestransmiseparles onne tionséle triquespournosniveauxdebruitet pourunerésistan eséried'environ50.
Noussupprimonsdon ledeuxièmetermedel'équation1ettentonsdevalider l'expressionrésultante. Nousavonsainsiutilisé deuxlasersenmodule etnous avonsréunislesfais eauxàl'aided'un oupleuroptique. La gure2-(a)présente ledispositif expérimental,et la gure2-(b) présente lesmesuresee tuéessur ette sour e laser omplexe, en omparaison aux résultats attendus issus de l'équation1.
Figure 2Expérien epourvalider lesexpressions théoriquesde l'amélioration dubruit d'unesour edelasers as adés.
Courant
DC
Mesure du RIN
Contrôleur de polarisation
(a)Montageexpérimental
-170
-160
-150
-140
RIN (dB/Hz)
20
15
10
5
Fréquence (GHz)
Laser 1
Laser 2
Laser 1+ Laser 2 (expérimental)
Laser 1+ Laser 2 (théorique)
2 dB
(b)Résultatsexpérimentaux
Un ontr leur depolarisationpla é dansl'undes brasdu oupleurpermet d'inje ter les fais eaux ave des états de polarisationorthogonaux et d'éviter ainsi un battement hétérodyne qui peut ajouter un bruit supplémentaire au signal optique de sortie. Le bruit mesuré du signal de sortie suit parfaite-mentles ourbesthéoriquement al uléesàpartirde l'équation 1. Si lesdeux brasd'entréesontparfaitementéquilibrés(mêmepuissan eoptique,mêmebruit d'intensitérelatif),onobtientuneaméliorationdubruit d'intensitérelatif pro-portionnelleaunombredelasersqui omposentlasour eoptique. Apuissan e hyperfréquen einje tée onstante,lerapportsignal-sur-bruitdesortieainsique
le fa teur de bruit de laliaison sont égalementaméliorésproportionnellement aunombredelasersqui omposentlasour e.
Cependant, l'utilisation de omposants dis rets ne présente un réel intérêt que si les signaux sont ombinés sans perte optique. De plus, le déphasage hyperfréquen e onsé utif àlapropagationdusignalhyperfréquen ed'unlaser ausuivant,et une onne tiquenon-appropriée limitetrès rapidementlabande passantedelasour e omposéedelasersdis rets. Ceslimitationsinterviennent prin ipalementdufaitdeladistan equiséparelessour esindividuelles,quidoit don êtreréduiteauminimum. Ilestainsipossibled'intégrer eprin ipeparune miseen as ademonolithiquedeplusieurszonesa tives, 'estlelaserà as ade bipolaire. Leszonesa tivessont onne téesgrâ eàdesjon tionspneninverse fortementdopées,le ouranttraverselajon tionpareettunnel. Pourassurer unesommationsanspertes,maiségalementpourpouvoirutiliserle omposant dansunsystèmeoptique-hyperfréquen e,ilestné essairequel'émissionoptique soitmonomode.
3 Dis ussion d'un point de vue omposant : un
modèle simple pour omprendre le
fon tion-nement d'unestru ture à as adebipolaire monomode
Letroisième hapitrede ette thèse présente unmodèlebasé sur leséquations d'évolutionpourestimerl'améliorationquenouspouvonsespérerd'untel om-posantmonolithique. Lebutestde réerunmodèleleplussimplepossiblepour qu'il reste ompréhensible, mais su samment pré is pour rendre ompte des ara téristiquesdeslasersà as ade bipolairesdé rites dansla littérature. De plus,pourdis riminerl'in uen edel'augmentationdunombredezonesa tives de elles de l'augmentation du nombre de puits quantiques, nous omparons dans un même formalisme un laser ave un puits quantique unique, un laser ave une zone a tive unique et deux puits quantiques et un laser ave deux zonesa tives,unpuitsquantiqueparzonesa tives.
Un bilan des parti ules réeset re ombinéespar unité detemps onduit à l'é ritured'unsystèmedetroiséquationsauxdérivéespartielles ouplées, forte-mentnon-linéaires. Pourlastru tureàdeux zonesa tives,lestrois in onnues sontlespopulationsdepaireséle tron-troudisponiblespourunere ombinaison radiativedans la premièrezone a tive, elle dans la se onde zonea tive et la populationdephotonsdanslemodeuniquedela avité.
La résolution de es équations en régime établi d dt
=0
prévoit une évo-lution des ara téristiques ohérentes ave l'ensemble desrésultats expérimen-tauxprésentés dansla littérature: augmentation durendement diérentiel ex-terne proportionnellement aunombrede zonesa tives,diminution du ourant deseuil presqueinversementproportionnelle aunombredezones a tivessi les pertesinternesn'augmententpas.
Nous onsidéronsensuitelesvariationsinstantanéesÆX(t)desvaleursmoyennes X. En régime de modulation petit-signal, nous négligeons les termes non-linéaires etobtenons unsystèmelinéaired'équations ouplées. Latransformée deFourierde eséquationsnouspermetd'é rirelaformematri ielledusystème àrésoudre. Pourlesstru turesàdeuxpuitsquantiquesouàdeuxzonesa tives, nous nous intéressons uniquement à la variation temporelle de la somme des
populations deporteurs.
La modulation des populations des parti ules possède deux origines. Soit une modulationdu ourantdepolarisationdulaser, soit dessour esde bruit, représentéesdans e modèlepardesfor esdeLangevin.
La gure 3 présente la réponse du modèle à une modulation du ourant de polarisationobtenue pour la stru ture àdeux puits quantiques et pour la stru tureàdeuxzonesa tives. Lesvaleursderéponsefréquentielledessystèmes sontnormaliséesàlaréponse delastru ture àdeux puitsquantiquesenbasse fréquen e.
Figure3Réponsefréquentielleàune modulationde ourantpourlastru ture àdeuxpuits quantiques,et pourlastru ture àdeuxzonesa tives.
-10
-5
0
5
10
S21 (dB)
6
5
4
3
2
1
0
Fréquence (GHz)
1 zone active
2 zones actives
Les deux ourbesprésententunealluresimilaire, ave une fréquen ede ré-sonan e omparable. Nouspouvonsobserverqu'en bassefréquen e,laréponse àunemodulationdu ourantdelastru tureàdeuxzonesa tivesestsupérieure de3dBàlaréponse delastru tureàune zonea tive,deuxpuits quantiques. Cet eetest une onséquen edire te del'amélioration durendement diéren-tielexternestatiquedeladiode. Par ontre,àplushautefréquen e,laréponse dulaserà as adebipolaires'in é hieplusviteque elledulaseràzonea tive unique. Cettediminutiondelabandepassantedu omposantestla onséquen e de l'évolution de l'impédan e diérentielle de ladiode (notamment résistan e série) ainsi que du temps non nul de transit des porteurs entre les zones a -tives. Même siles valeursutiliséespour es paramètresnesont pour l'instant qu'estimées, et qu'elles demanderaientà être véri ée expérimentalement, leur eetestee tivementpris en omptedanslemodèledéveloppé.
Lebruitd'intensitéoptiquedulaserapparaîtdufaitdelanature orpus u-lairedesporteurséle triquesetdel'énergielumineuse. Chaqueé hange orpus- ulaireentrelesdiérentsréservoirssuituneloideprobabilitépoissonniène.Le ara tèrealéatoiredesinstantsd'arrivéedesévénements(émissiond'unphoton, re ombinaison d'une paireéle tron-trou...) agit omme une sour e de u tu-ation interne, à laquelle le système d'équations ouplées va réagir. C'est la méthode de al ul de Langevin. Le bruit d'intensité relatif est alors al ulé
ommelerapportdu arrémoyen des u tuations depuissan eoptiquesur le arrédelapuissan eoptiquemoyenne,etlerésultatest lesuivant:
R IN SQW (!)= 2 0 S 2 SQW jH(!)j 2 ! 4 R(SQW ) a 1 +a 2 ! 2 (2) ave : a 1 = 2 P ! 4 R(SQW ) D NN +4 P R ! 2 R(SQW ) D NP +4 1 2 R D PP +2 1 0 P ! 4 R(SQW) D NS + 1 0 2 R ! 2 R(SQW ) D PS a 2 = D PP +2 1 0 P ! 2 R D PS
Lesnotationssontexpli itesdanslemanus rit,D XX
sontles oe ientsde diusiondeLangevin. Laformuleestlamêmepourlelaserà as adebipolaire et le laser à zone a tivesimple, et à deux puits quantiques. Néanmoins, les oe ients de diusion de Langevin sont diérents ar les é hanges entre les réservoirsde parti ulessontdiérents. Letableau1re enselesexpressions de es oe ientsdediusionpourlesdeuxstru tures.
For es de Langevin Expressions Laser à1zonea tive
D NN (+) DQW I e + N (+) DQW E +(2n sp(DQW) 1) P DQW P D N (+) PDQW (2n sp(DQW) 1) P DQW P N (+) DQW E D PP DQW 2n sp(DQW) P DQW P + N (+) DQW E with n sp(DQW) = N (+) DQW N (+) DQW 2N0
Laserà as ade bipolaire
D NN (+) CQW I e + N (2) CQW E +(2n sp(CQW) 1) P CQW 2 P D N (+) PCQW (2n sp(CQW) 1) P CQW 2 P N (2) CQW E D PP CQW 2n sp(CQW) P CQW P + N (+) CQW E withn sp(CQW) = N (+) CQW N (+) CQW 2N0
Table1: Résumédes oe ientsdediusionestiméspourlaméthodede al ul debruitdeLangevin. n
sp
estlefa teurd'inversiondepopulation.
Malgré es diéren es, le al ul dubruit d'intensité relatif des deux lasers produit,pourunepopulationdephotonégaledanslesdeuxtypesdestru tures, desrésultatstrèssimilaires ommenouspouvonslevoirsurla gure4-(b). La raisonpourunediéren esipeumarquéedansl'estimationdubruitd'intensité relatifestprésentéeàla gure4-(a),quimontrel'évolutiondedeux omposantes duRINquidominentàhauteetàbassefréquen e. Ces omposantessont elles
issuesdubruitdesphotonsdansla avité.Pourunlasermonomode,lebruitest don dominé par les u tuations rées par les pro essus supposés poissoniens de réationetdedisparition desphotonsdansla avité. Le niveaude ebruit est don xéparlapopulationde photonsdansla avité. Les ara téristiques en bruit des lasers à as ade bipolaire seront don équivalentes à elles des lasersàsimplezone a tive,àmoins quelere y lagedesporteursne permette d'augmenterlapopulationdephotonsdansla avité.
Figure4Résultatsthéoriquesobtenusparrésolutiondumodèledeséquations d'évolution.
-190
-180
-170
-160
-150
-140
-130
-120
RIN (dB/Hz)
6
5
4
3
2
1
0
Fréquence (GHz)
RIN total
Contribution de DPP à haute fréquence
Contribution de DPP à basse fréquence
(a)Composantesprin ipalesduRIN
-160
-150
-140
-130
-120
RIN (dB/Hz)
6
5
4
3
2
1
0
Fréquence (GHz)
1 zone active
2 zones actives
(b)ComparaisondesRINpourlelaserà zonea tiveuniqueetàdeuxzonesa tives
En parti ulier, lamême omparaisonpour un ourantdepolarisation on-stantdonneunepopulationdephotonsplusimportantepourlelaserà as ade bipolaire,etdon unRINplusfaible.
L'intégrationdeplusieurszonesa tivesdansunmêmemodeoptiquepermet théoriquementuneaméliorationdurendementdiérentielexternedulaserd'un fa teurn,oùnest lenombredezonesa tives,etdon dugainhyperfréquen e delaliaisonàmodulationdire ted'unfa teurn
2
. Cettepropriétéest onservée surune bandepassante plusimportante quenelepermet l'ar hite ture mono-lithique. Par ontre, malgré les espoirs qui reposent sur es stru tures pour obtenirdes omposantsfaiblebruit[1,2℄,et ontrairementàl'ar hite ture util-isantdeslasersdis rets,notremodèlemontrequ'iln'estpossibledediminuerle RINqu'enaugmentantladensitédephotonsdansla avité,etdon lapuissan e émise.
4 Modèle éle tronique du laser à as ade
bipo-laire monomode
La fabri ation de lasers à as ade bipolaire monomodes transverse né essite unetrèsforteintégrationdesdiérentes ou hesdesemi ondu teurs. Plusieurs zonesa tivesainsiquedesrégionsfortementdopéesdoiventêtre omprisesdans une épaisseur d'environ un mi ron. Pour on evoir de telles stru tures om-plexes,nousavonsutiliséetdéveloppéunlogi ieldesimulationauto- onsistant quimodéliselefon tionnementdeslasersà as ade bipolaire.
Le logi iel est basé sur un al ul 1D de la densité de porteurs, du po-tentiel éle trostatique et des ourants dans la dire tion perpendi ulaire aux ou hesdusemi ondu teur. Leséquations onstitutivessontl'équationde Pois-son, une équation de onservation pour haquetype de porteur, et une équa-tion de ourant dérive-diusion pour haque type de porteur. Ce système d'équationest deplus nourripardeux autresmodulesde al ul,l'unpour ré-soudrel'équationdeS hrödingerdanslepuitsquantiqueet al ulerainsilegain optique,etl'autre pourrésoudre leséquations deMaxwelldanslastru tureet obtenirlarépartitiondel'énergieoptiquedans lesdiérentes ou hesde semi- ondu teur. C'estnotammentgrâ eà ederniermodulequenouspouvonsnous assurerquelastru tureaura bienun omportementmonomodetransverse.
Le logi iel initial n'était pas adapté à la simulation de stru tures laser à as ade bipolaire pour une émission à 1.5 m, et une partie de e travail de thèsea onsistéàétendreles apa itésdulogi iel.
Lapremièremodi ation on ernelepassaged'unemodélisationsur matéri-auxpouruneémissionà800-900nm,àdesmatériauxàpluspetitgappourune émission à 1.5 m. Outre l'extension de la base de données, les prin ipales modi ationssur lemodèleont on ernélaprise en ompte du ourantde re- ombinaisonAugerdanslespuitsquantiques(ilyaplusd'unordredegrandeur dediéren edansle oe ientAugerpourlesdeuxsystèmesdematériaux),et l'utilisationdelastatistiquedeFemi-Dira surl'ensembledelastru ture.
Unedeuxièmemodi ationimportante on ernelapriseen omptedeplusieurs puits quantiquesdans lastru ture. En eet,jusqu'àprésent,lelogi ieln'était ompatible qu'ave desstru tures n'intégrantqu'un seulpuits quantique. Les intera tions entre les grandeursà al uler (densités de porteurs, ourants, po-tentieléle trostatique)étaientlo aleetlarésolutionparlaméthodedeNewton né essitait l'inversiond'unematri etri-diagonaleparblo s,réaliséeave l'aide d'algorithmesutilisant ettepropriété. Dansunestru turequiintègreplusieurs puits quantiques, le ourant de re ombinaison par émission stimulée dans un puits quantique dépend du gain généré par l'ensemble des puits quantiques ainsiquedeladensitédeporteursetdure ouvrementave l'ondeoptiquede e puits quantique. Le logi iel al uledon ungaind'ensemble ommelasomme du gainde haque puits quantique avant de répartir e oe ient sur haque puits quantique pour al uler le ourant de re ombinaison lo al. Des termes non-diagonaux apparaissent ara téristiquesde l'intera tion entre lesporteurs des diérents puits quantiques via le hamp éle tromagnétique. Ces termes non-diagonauxsonttraités ommedestermesperturbatifs.
En n,dernièremodi ationné essaireàlamodélisationd'unlaserà as ade bipolaire, la prise en ompte du ourant qui passe par eet tunnel dans une jon tion fortement dopée p++-n++ polarisée en inverse. Nous développons danslemanus ritl'intégralitédu al ulbasé surlarésolution del'équation de S hrödingerjusqu'àobtenirlaformulequasi-analytiqueproposéeparE.O.Kane [3℄.
Lefort hampéle trostatiqueprésentau entredelajon tiontunnel ourbe lesbandesde ondu tionetdevalen e. Larésolutiondel'équationdeS hrödinger perturbéeparuntermede hampéle trostatiqueajoutéàl'hamiltonien onduit àl'expressiondefon tionsd'ondedeséle tronsproportionnellesàdesfon tions deAiry. Cesfon tionsontlapropriétéd'avoirunre ouvrementnonnul(etdon leséle tronsontune probabilitédeprésen e nonnulle également)àl'intérieur delabandeinterdite. Lere ouvrementdesfon tionsd'onde deséle tronsdans
labandedevalen eet danslabandede ondu tion onduitàladétermination d'uneprobabilitédetransmissionpareet tunneld'un éle tronin ident surla barrièredepotentieldel'autre téde elle- i. Uneintégrationde ette proba-bilitédetransmissionsurl'ensembledeséle tronsin ident onduitàl'expression suivantepourle ouranttunnel[3℄:
J tunnel = em r 18~ 3 exp p m r E g 2 p 2~eF ! E ? 2 D (3) ave D = Z f 1 (E 1 ) f 2 (E 2 ) 1 exp 2 E s E ? dE
Letermeenexponentielestletermeprépondérant,responsabledu ara tère trèsnon-linéairedu ouranttunnel. Letroisièmetermetient omptedel'énergie transverse des éle trons, et le dernier terme est homogène à une énergie et orrespond à l'intégrale du ourant tunnel sur l'ensemble des paires d'états à lamême énergie, o upésdans labande devalen e et libres dansla bande de ondu tion.
5 Con eption d'unlaser à as adebipolaire monomode
transverse
Dans le dernier hapitrequi ompose ette thèse, nous utilisons tout d'abord lemodèleprésenté dansle hapitre pré édentpourla on eptionde jon tions tunnel,etpourla on eptiondelasersà as adebipolaire.
Ilestsouhaitablepourlebonfon tionnementdulaserquelajon tiontunnel implémentée soit le moins résistive possible. Pour ela, plusieurs paramètres peuventêtreoptimisés. Nousdé rivonsl'évolutiondu ouranttunnelenfon tion dedeux paramètres ritiques : les matériauxqui onstituent lajon tion,et le niveaudedopagede esmatériaux.
Auxvuesdel'expressiondu ouranttunneldonnéeparl'équation 3, dimin-uer l'énergie de gap permet d'augmenter le ourant qui traverse la jon tion tunnelsouspolarisationinverse. Cephénomèneest on rméparla gure5-(a) qui représente l'évolution de la ara téristique ourant-tension al ulée d'une diode tunnel en fon tion du matériau qui la ompose, pour un même niveau dedopage. Ilest ànoter queladiminutiondugap dumatériau s'a ompagne d'unediminutiondelamasseee tivedepassagepareettunnelquiaugmente en orele ouranttunnel. Néanmoins,unmatériauave uneénergiedegaptrop petitepourraêtreabsorbantàlalongueurd'onded'émission. Nousoptonspour unmatériau ayantune longueurd'onde de photolumines en ede 1.35m qui présente un ompromis entre l'énergie degap et l'absorptionfondamentale, et estparailleursunmatériaudontnous onnaissonsles onditionsde roissan e, arilestutilisépourd'autrestypesdestru tures.
Figure5Utilisationdulogi ielpré édemmentdé ritpour on evoirlajon tion tunnel.
-5
0
5
10
Courant (kA/cm
2
)
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Tension (V)
matériau :
E
G
=0.9 eV
E
G
=1 eV
(a) Evolutiondu ourant tunnelave le matériau
-10
-5
0
5
10
Courant (kA/cm
2
)
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Tension (V)
Niveau de dopage :
6×10
18
cm
-3
5×10
18
cm
-3
4×10
18
cm
-3
(b)Evolutiondu ourant tunnelave le niveaudedopage
Ledeuxièmeparamètrequenouspouvonsoptimiserestleniveaudedopage dumatériau onstituantlajon tiontunnel. Augmenterleniveaudedopage per-metd'augmenterle hampéle trostatiquedanslastru tureainsiqueleniveau de dégénéres en e du matériau, qui ontr le le nombre d'états o upés de la bande devalen eave lamêmeénergie qu'unétatlibre danslabande de on-du tion. Uneillustrationestprésentéesurla gure5-(b)quimontrel'évolution de la ara téristique ourant-tension a uléepour une jon tiontunnel réalisée dans unmatériau 1.35m pourundopage variantde 410
18 m 3 à610 18 m 3
. Pour une tension en inverse donnée, le ourant qui traverse la diode augmentefortement,mêmepourunevariationminimedudopagedumatériau. A nouveau, il existe un ompromis sur le niveau de dopageoptimal, ar une augmentationduniveau dedopageaugmentelespertesparporteurslibresqui peuventjouerunr le important,en parti ulierpourleslasers à as ade bipo-lairemonomodes,pourlesquelslajon tiontunnelsisitueàl'intérieurdumode optique. Cettefois- i,leniveaudedopagevaenfaitêtre hoisitnonpas omme ompromisentrelespertesetla ondu tivitétunnel,maisplut t ommelimite intrinsèqued'in orporationdu dopant Zn quenous utilisons pourle dopagep delastru ture.
Le dopantZnest le dopantgénéralementutilisé ommea epteur pourles stru ture InGaAsP/InP enMOCVD. Néanmoins,undes in onvénientsde son utilisation est le fort oe ient de diusion qu'il peut montrer pour des den-sités de dopage importantes [4℄. Nous présentons dans e manus rit une re-vue bibliographiquequi nous permet de nous familiariserave lesmé anismes d'in orporation et de diusion de et atome dans la maille ristalline. Nous étudionségalementl'in uen edesparamètresde roissan esurlespro lsetles oe ientsdediusion. Finalement,nousessayonsd'estimerles oe ientsde diusion que nousrisquons d'obtenir surnos matériaux enappliquant une loi deVegardsurles oe ientsdediusionpubliéssurmatériauxbinaires. La g-ure6présentele oe ientdediusion, et l'in orporationmaximaled'atomes estiméeenfon tiondela on entrationenarseni .
Figure 6 Coe ient de diusion et in orporation maximale du Zn dans In-GaAsP/InPestiméàpartird'uneloideVegardsurlesbinaires.
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Concentration en arsénic (y)
10
18
2
4
6
8
10
19
2
4
6
8
10
20
Incorporation maximale (atoms.cm
-3
)
(InP)
(InGaAs)
[Eisenbach 97]
[VanGurp 88]
D'après la loi de Vegard
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Concentration en arsénic (y)
10
-9
2
4
6
8
10
-8
2
4
6
8
10
-7
Coefficient de diffusion (cm
2
.s
-1
)
(InP)
(InGaAs)
[vanGurp 88]
[Kamanin]
D'après la loi de Vegard
A n d'estimer expérimentalement la résistivité que nous pouvons espérer obtenirdansnosjon tionstunnel,nousavonsréaliséunestru turedetestdans des onditionsaussipro hesquepossibledes onditionsréellesd'implémentation dans une stru ture laser à as ade bipolaire. La gure 7 dé rit la stru ture réalisée.
Figure7Stru tureréaliséedanslebutd'estimerlarésistivitéajoutée parune jon tiontunnel.
Cou he épaisseur dopage( m 3 ) InP 0.5m n: 10 18 PL =1:35m 25nm n: 510 18 PL =1:35m 25nm p: 510 18 InP 0.1m p: 10 18 PL =1:35m 0.5m p: 510 18 InP 0.1m p: 10 18 InP 0.5m n: 10 18
(a)Listedes ou hesdesemi ondu teur
n-type contact
λλλλ
========= 1.35
µµµµ
m
tunnel junction
InP: n
InP: p
p-type contact
InP: p
InP: n
n-type back-surface contact
L
= 300
µµµµ
m
(b)Représentations hématique delastru ture
Troiséle trodes sontfabriquées sur la stru ture : une éle trode de typen pleineplaque,enfa earrière,uneéle trodedetypensurledessusd'unruban gravéde300m,etuneéle trodedetypepdéposéeàlasuitedelagravure om-plètedelajon tiontunnelsurlematériau1.35mfortementdopép,quinous sert également de ou he d'arrêt de gravure humide. La onnaissan e (suite
à des mesures TLM) des résistan es de onta t et la diéren e des mesures des ara téristiques ourant-tensionentrelesommetdurubanetlafa earrière (jon tion tunnel et jon tion pnen dire te)et entre l'éle trode pet lafa e ar-rière (uniquement jon tion pnen dire te) nous permet d'a éder à la mesure du ourant tunnel en fon tion de la tension appliquée sur la jon tion tunnel. Cette mesure nous donne une estimation de la résistivité de la jon tion tun-nel. Malheureusement, un ourant surfa ique important, estimé en mesurant les ara téristiquespourdespu esdelongueurdiérenteslimitelapré isionde lamesure. Deplus,larésistan e hutetrès rapidementendessousdequelques ohms, e qui est très faible pour espérer une mesure able. Malgré es limi-tations, nousobtenons une estimation de larésistan etunnel rapportéeàune stru turededimension3m par300mdel'ordrede42.
Pourtenterde omprendre etteforterésistivitédelajon tiontunnel,nous réalisonsdesmesuresSIMSsurlastru turedetestainsi quesurlesstru tures laserquiintègrentunejon tiontunnel. Ladiusiondesdopantset lesniveaux de dopage sont dans les limites de résolution de la te hnique de ara térisa-tion,rejetantl'hypothèsed'un problèmesurvenuauniveaudela roissan edu omposant.
La on eptiondulaserà as adebipolairenes'arrêtepasà elledela jon -tion tunnel. En parti ulier, laforte intégration de ou hes desemi ondu teur ayant ha uneleurné essité onduità une on eption spé i que de es stru -tures. Nousutilisonslelogi ieldé ritdansle hapitrepré édentpour on evoir des stru turesà as adebipolairemonomode transverse. La gure 8présente le diagrammede bande d'un laser à as ade bipolaire àl'équilibre thermody-namique.
Figure8Diagrammedebanded'unlaserà as adebipolaireàl'équilibre ther-modynamique.
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Energie (eV)
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
Position (
µ
m)
Couche de confinement des électrons
Couche de confinement des trous
Zone active 1, MPQ
Zone active 2, MPQ
Jontion
Tunnel
dopage p
dopage n
Pourillustrerlebesoind'une on eptionspé i que,nousdis utonsl'in uen e del'épaisseurdes ou hesde on nementdesporteursdepartetd'autredela jon tion tunnel. Ces ou hes sont dopées. Si es ou hes sont trop épaisses, lere ouvrementave lemodeoptiqueaugmente lespertesparporteurs libres.
Par ontre, si es ou hes sont trop nes, les porteurs (et en parti ulier les éle trons)peuventpasserpareetthermoioniqueau-delàde esbarrières. Les éle tronssontensuiteentraînésdansladeuxièmezonea tiveparlefort hamp éle trostatiquedelajon tiontunnelet neparti ipentpasaure y lageet don àl'amélioration durendement diérentiel. Ce phénomène est modélisé par le logi iel spé ialement développé, et lesrésultats sontprésentés sur la gure 9, qui montre les ara téristiquespuissan e- ourantet tension- ourantdeslasers à as adebipolairepourdiérentesépaisseursde ettebarrièrede on nement. La ourbepuissan e- ourantseredresseaufuret àmesurequel'on augmente l'épaisseurdelabarrièrede on nement.
Figure9Evolutiondes ara téristiquesstatiques al uléesdelasersà as ade bipolaire,pourdiérentes épaisseursde ou hesde on nementdesporteurs.
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Tension (V)
14
12
10
8
6
4
2
0
Densité de courant (kA.cm
-2
)
60
50
40
30
20
10
0
Puissance optique (mW)
10 nm
20 nm
30 nm
40 et 50 nm
10 nm
50 nm
Nous avonsréaliséquatrestru tures à as ade bipolaire, répartiesendeux séries. LasérieApossèdedeuxzonesa tivesdequatrepuitsquantiques ha une, et a été réalisée en une seule épitaxie. La série B intègre trois zones a tives ha une possédantdeux puits quantiques et intègreun réseaude Bragg qui a né essité une roissan e en deux étapes. La gure 10 présente la répartition modaledanslesstru turesA1et B2, al uléespourn'a epterl'os illationque d'unseulmodetransverse. Lastru tureA2estsimilaireàlastru tureA1. Seule une ou hede30nmde on nementdestrousaétéenlevée. Lastru tureB1est similaireàlastru tureB2, mais ettefois- itoutesles ou hesde on nement éle troniqueontétéenlevées.
Nous observonsd'abordque lesstru turesqui ne possèdentpasl'ensemble des ou hesde on nementéle triques(A2etB1)fon tionnentdansunrégime diérentdesstru turesquiintègrenttoutesles ou hesde on nementéle trique (stru tureA1etB2). Lesautdetensionestbeau oupplusfaibleet pro hedu sautné essaireàlapolarisationd'uneseulezonea tive. Lesporteursnesonten faitpasre y lés,et esstru turesse omportent ommedesstru turesàsimple zone a tive. Ce qui était plut t un défaut de on eption va nalement nous êtretrèsutile. Nousallonseneetpouvoir omparerdesstru turesépitaxiales similaires dont la seule diéren e est le hemin énergétiqueemprunté par les éle trons pour traverser la stru ture. Dans un as, nous sommes assuré de
n'avoirpasdere y lage,dansl'autre as,nousallonspouvoirobserverl'in uen e d'un re y lageéventueldes porteurs. L'ensemble des résultatsexpérimentaux ontété obtenusen ourantpulséàlatempératureambiante, arlesstru tures neprésententpasd'eetlaseren ourant ontinu.
Figure10 Distributionmodaledel'énergielumineusedansla avité.
3.40
3.35
3.30
3.25
3.20
3.15
Indice de réfraction
0.8
0.4
0.0
-0.4
Position (µm)
1.6
1.2
0.8
0.4
0.0
Mode optique (u.a.)
(a)Stru tureA1
3.40
3.35
3.30
3.25
3.20
3.15
Indice de réfraction
0.8
0.4
0.0
-0.4
Position (µm)
1.6
1.2
0.8
0.4
0.0
Mode optique (u.a.)
(b)Stru tureB2
Nousétudionsd'abordlespertespartransmissiondanslesstru turesmonomodes. Nous n'observons pasde diéren e notable entre les pertes mesurées pour les stru tures possédantune jon tion tunnel fortementdopée au entre dumode optique(B1etB2)etdesstru turesderéféren eàsixpuitsquantiques, omme lemontrelerésultatde ettemesuresurla gure11. Cettemesureaétéréalisée en omparantlespe trerésultantdelatransmissiond'unfais eau largebande optique.
Figure 11 Pertes pour diérentes stru tures mesurées à partirduspe tre de transmissiondelastru turepassive.
30
20
10
0
Pertes du mode (cm
-1
)
6
5
4
3
2
1
Largeur du ruban (
µ
m)
Structure B1
Structure B2
Structure de réf. avec 6 PQs
La mesure des ara téristiquestension- ourant de la stru ture A1sur des stru turesdediérentes longueursnouspermet d'estimerle ourantsurfa ique beau ouppluslimitéquedansle asdelastru turetest.
fabriquons deux types de rubans sur les stru tures de la série A. Un premier rubanétroit(2.5m) etpeuprofond estréalisépourtenter d'obtenirun fon -tionnement monomode. Ce ruban présente ependantl'in onvénientde nepas empê herl'étalementdu ourant. Uneautrestru tureave unrubanpluslarge (18 m) et plus profond (l'ensemble des zones a tivesest gravé)nous permet de nous aran hir de l'étalement du ourant. Une omparaison des ourants de seuil de la même stru ture (A1) pour les deux te hnologies nous permet d'estimer,ensupposantquelesdensitésdeporteursauseuilsontlesmêmes,la largeuree tived'étalementdu ourantsouslerubande2.5m. Nousobtenons unevaleurqui avoisineles12m.
Pourobtenirles ara téristiquesintrinsèques,nousutilisonslesstru turesà rubanprofondquiempê hent omplètementl'étalementdu ourant. Nous pou-vonsainsi omparerlerendementquantiqueinternedesstru turesA2(stru ture qui ne re y lepasles porteurs) et A1 (stru tureà as ade bipolaire quenous ara térisons). La gure12présente lerésultatdesmesuresdurendement dif-férentielexterneenfon tiondelalongueurdela avité. L'interse tionde ette droite ave l'axe des ordonnéesnous renseigne surle rendementquantique in-terne.
Figure12Mesuredespertesinternesetdurendementinternedanslesstru ture A1etA2pourunruban de18m.
6
5
4
3
2
1
0
Inverse du rendement
1200
800
400
0
Longueur de la cavité (µm)
100%
différentiel externe (A/W)
η
int
=126 %
(a)Stru tureA16
5
4
3
2
1
0
Inverse du rendement
1200
800
400
0
Longueur de la cavité (µm)
100%
différentiel externe (A/W)
η
int
=68 %
(b)Stru tureA2
Nous obtenons unrendement de l'ordre de 68 % pour lastru ture A2, et un rendement de 126 % pour la stru ture A1. Le rendement est quasiment ledouble pourlastru ture A1,démontrant lere y lagedesporteurs dans es stru tures. Cette même régressionlinéairenous renseigne sur les pertes de la stru turequenousestimonsà16 m
1
pourlastru tureA2,età43 m 1
pour lastru turequi re y lelesporteurs. Cettetrès grandediéren enes'explique pas parun re ouvrementplus important ave des ou hes de semi ondu teur dopées arlesstru turessontde epointdevuelàquasimentidentiques. Cequi lesdiéren ieestuniquementle heminde ondu tionénergétiquedesporteurs danslastru ture. Danslastru tureA2,ilspassentaudessusdesfaiblesbarrières de on nementéle tronique,etdanslastru tureA1,ilspassentpareettunnel au travers d'une barrièrede potentiel. Si ette barrière est plus large que e
queprévoitnotremodèle,ilestpossiblequelajon tiontunnelsoitunezoneoù l'a umulationdesporteursaugmentelespertesparporteurslibres.
Dansladernièrepartiede e hapitre,nousnousintéressonsàla omparaison desstru turesA1etA2surunestru tureàrubanétroitetpeuprofond. La g-ure13présenteles ara téristiquespuissan e- ourantpourlesdeuxstru tures, ainsiquelerendementdiérentielexternemesurésur haquestru ture.
Figure13 Cara téristiquesdesstru turesave unrubanétroit(2.5m).
6
5
4
3
2
1
0
Puissance optique (mW)
80
60
40
20
0
Courant (mA)
Structure A1
Structure A2
(a) Cara téristiques puissan e- ourant
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
Rendement externe (W/A)
20
15
10
5
0
Courant relatif I-I
th
(mA)
(b)Comparaisondesrendementsdiérentielsexternes
Contrairementàla ara téristiquedelastru tureA2, elledelastru tureA1 n'estpastrès linéaire, e qui pose unproblèmeimportantpourl'utilisation de es stru turesdans lessystèmes optique-hyperfréquen e. Nouspouvons égale-ment remarquerqu'au niveau duseuil, lerendement diérentiel externede la stru ture A1 atteint des valeurstrès importantes que l'on peut expliquer par unphénomèned'absorptionsaturable,ouunresserrementdeslignesde ourant. Au-delàde eta ident,lerendementdiérentielexternedelastru tureA1 sur-passelargement eluidelastru tureA2suruneplagede ourantrelativement importante,montrantainsil'améliorationdurendementdiérentielexternepar le re y lage des porteurs. Il reste ensuite à savoir si la stru ture est restée monomodetransverse, equenousprouvonsenmesurantle hamplointainqui dé rit la distribution angulaire de l'énergie lumineuse à la sortie de la diode. Comme lemontre la gure14, lefais eau optique neprésente qu'en seul lobe dansladire tionparallèleetdansladire tionperpendi ulaireaux ou hes. Ces diagrammes onstituentladémonstration dufon tionnementd'un laser à as- adebipolairemonomodetransverse.
Figure14Champ lointaindesstru turesave unrubanétroit(2.5m).
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Optical power (a.u.)
-80
-40
0
40
80
Direction perpendiculaire (degrés)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Puissance optique (u.a.)
-80
-40
0
40
80
Direction parallèle (degrés)
6 Con lusion
Aprèsavoirdémontréthéoriquementetexpérimentalementl'amélioration possi-bledugainhyperfréquen eetdufa teurdebruitd'uneliaisonoptique-hyperfréquen e surunear hite turedelasersdis rets as adés,nousavonsdéveloppédeux mod-èlesdesimulationdes omposantsintégrésdemanièremonolithique. Lepremier nous apermis de on rmer lesattentes que l'on pouvait avoirpour améliorer lerendementdiérentielexternedeslasers,maisderejeterl'espoird'obtenirde meilleurs ara téristiquesenbruitquedeslasersàsimplezonea tive. Le deux-ièmeest unlogi ieldesimulationpourassisterla on eptiondelaserà as ade bipolaire. Il repose sur la statistique de Fermi-Dira , a epte plusieurs puits quantiqueset al ulele ourantquitraverseunejon tiontunnel. Al'aidede e logi iel,nousavons onçupuisréalisédesstru turesquiontpermisune amélio-ration d'un fa teur 2 du rendement quantiqueinterne, puisla démonstration d'unlaserà as adebipolairemonomodetransverse.
Une voie d'exploration importante pour l'amélioration à ourt terme des stru tures(notammentpouréviter l'étalementdu ourantqui induit des non-linéarités,etpourobtenirunfon tionnementen ourant ontinu)estl'amélioration delajon tiontunnel.
Référen es
[1℄ J.K. Kim et al., Epitaxially-sta ked multiple-a tive-region 1.55 m lasers for in reased e ien y. In IEEE Conferen e on Lasers and Ele tro-opti s, CLEO'99,page139,Baltimore,MD,USA,May1999
[2℄F.Ranaetal.,Photonnoiseand orrelationsinsemi ondu tor as adelasers. Applied Physi s Letters, 76(9):1083-10-85,Feb. 2000
[3℄E.O. Kane, Theory of Tunneling. Journalof Applied Physi s, 32(1):83-91, Jan. 1961
[4℄BrianTu k,Diusionofa eptorsinn-typeandsemi-insulatingInP.Journal ofCrystal Growth,170:451-455,1997
1 General Introdu tion 7
1.1 Fromtheblurredoriginsofradarengineeringto urrentresear h
onopto-RFlinks . . . 7
1.2 Whatindustrialappli ations angainfromopto-RFlinks . . . . 9
1.2.1 Groundradars . . . 9
1.2.2 Ele troni warefare. . . 10
1.2.3 Otheradvantagesofopto-RFlinks . . . 11
1.3 Currentopto-RFlinksshort omings . . . 11
1.4 Prin ipleofthebipolar as adelaser . . . 12
1.5 Historyandstate-of-the-artofbipolar as adelasers . . . 13
1.5.1 High-powerappli ations . . . 13
1.5.2 BipolarCas adeVerti alCavitySurfa eEmittingLasers
(BCVCSEL) . . . 14
1.5.3 Mi rowaveopti appli ations . . . 16
1.6 Outlineofthethesis . . . 17
2 High signal-to-noise ratio emitter: dis ussion on a \system
level" point ofview 23
2.1 Introdu tion. . . 23
2.2 Whatdoes ombiningmean? . . . 24
2.2.1 Splitting.... . . 25
2.2.2 ...then ombiningtheRFsignal . . . 25
2.2.2.1 Ele troni ombiningafter dete tion . . . 25
2.2.2.2 Opti al ombiningbeforedete tion . . . 26
2.2.2.3 Ele troni ombiningintegratedtothe
photode-te tor . . . 27
2.2.2.4 Advantages and drawba ks of the di erent
ar- hite tures . . . 29
2.2.3 Integratedsplitting-to-parallel/ ombiningar hite tures . 30
2.2.3.1 Distributedphotodiodes. . . 30
2.2.3.2 Bipolar as adelasers . . . 31
2.3 Combiningsour esto improvetheRFlinkgain . . . 31
2.3.1 De nitions . . . 31
2.3.2 RFoutputpower . . . 33
2.3.3 RFgainimprovement . . . 35
2.3.3.1 Noimpedan e mat hing. . . 35
2.3.3.2 Resistiveimpedan emat hing . . . 37
2.3.4 Compressionpoint . . . 40
2.3.5 Fromtheliterature. . . 41
2.3.5.1 Experimental resultsfrom theliterature . . . 43
2.3.5.2 EstimationoftheRFgainimprovement. . . 44
2.3.6 Experimental a hievements . . . 46
2.4 Combiningsour esforimprovingtheRFlink noise gure . . . . 48
2.4.1 Introdu tion . . . 48
2.4.2 EquivalentRINsour e . . . 49
2.4.2.1 Inter- orrelationterm . . . 50
2.4.2.2 S alabilityofthemodel . . . 52
2.4.2.3 Resultsfromtheliterature . . . 53
2.4.3 Noise gureandsignal-to-noiseratioimprovement . . . . 53
2.4.3.1 Detailed omparison for series- onne ted laser
sour eswitharesistiveimpedan emat hing . . 53
2.4.3.2 Literatureavailabledata . . . 56
2.4.4 Experimental a hievements . . . 57
2.4.4.1 Experimental set-up . . . 57
2.4.4.2 Experimental results. . . 57
2.4.4.3 E e tofheterodynebeating . . . 59
2.4.5 Limitationsofthedis reteelementar hite ture . . . 61
2.5 Con lusion . . . 62
3 \Component level" point of view: a omprehensive model of
the integrated devi e 67
3.1 Introdu tiontorateequationanalysis . . . 67
3.1.1 Generaldes riptionofthemodel . . . 68
3.1.2 Carrierpopulationrateequation . . . 69
3.1.3 Photonpopulationrateequation . . . 72
3.1.4 Laserthreshold . . . 72
3.1.5 Expressionof
P
. . . 72
3.1.6 Outputpower. . . 73
3.1.7 Comparingdi erentQWstru tures . . . 74
3.1.8 Approximations. . . 76
3.2 Steady-statesolution . . . 77
3.2.1 SingleQW,singlea tivejun tion(SQW) . . . 77
3.2.2 TwoQW,singlea tivejun tion (DQW) . . . 78
3.2.3 Twoa tivejun tions,ea hin ludingasingleQW(CQW) 80
3.3 Dynami behavior . . . 81
3.3.1 SingleQW,singlea tivejun tion(SQW) . . . 83
3.3.2 TwoQWs,singlea tivejun tion (DQW) . . . 84
3.3.3 Twoa tivejun tions,ea hin ludingasingleQW(CQW) 86
3.4 RIN al ulation . . . 88
3.4.1 Noisede nitions . . . 88
3.4.2 Spe traldensityoftheoutput powernoise. . . 89
3.4.3 DerivingtheLangevinnoisedi usion oeÆ ients . . . 92
3.4.3.1 Outputpowernoise . . . 93
3.4.3.2 Comparisonofthethree ases . . . 93
3.4.3.3 Con lusiononthepossibleRINimprovement . . 97
4 Bipolar as adelasermodelingatan\ele troni level"pointof
view 103
4.1 Introdu tion. . . 103
4.2 Transportmodelusedinsimulations . . . 104
4.2.1 Formerly-existingtransportmodel . . . 104
4.2.2 Physi almodel . . . 105
4.2.3 Numeri alimplementation. . . 106
4.3 Modi ationsfor themodelingof laser diodes omposed of
ma-terialslatti e-mat hedto InP . . . 108
4.3.1 Modi ationsofthedatabase entries . . . 108
4.3.1.1 E e tivemasses . . . 108 4.3.1.2 Band-gapenergy . . . 109 4.3.1.3 Bando set . . . 109 4.3.1.4 Ele tronmobility . . . 109 4.3.1.5 Holemobility. . . 110 4.3.1.6 Refra tiveindex . . . 110 4.3.1.7 Diele tri onstant. . . 110
4.3.2 In uen eoftheAugerre ombinationin rease. . . 110
4.4 FromtheBoltzmannstatisti sto theFermi-Dira statisti s . . . 110
4.4.1 Physi almodel . . . 110
4.4.2 Numeri alimplementation: modi ationofthe
S harfet-ter&Gummels heme . . . 111
4.5 Modi ationsforthemodelingofmulti-quantum-welllaserdiodes112
4.5.1 Numeri alimplementation. . . 112
4.5.2 Exampleof simulation . . . 115
4.6 Esakitunnel jun tionmodeling . . . 116
4.6.1 Prin ipleofatunnel jun tion . . . 116
4.6.2 Ele troni model . . . 117
4.6.2.1 Introdu tion . . . 117
4.6.2.2 Thematrixelement . . . 119
4.6.2.3 kp-des ription^ ofthesemi ondu torbands . . 122
4.6.2.4 Thetransmission oeÆ ient. . . 126
4.6.2.5 Thetunnel urrent. . . 127
4.6.3 Dis ussiononthetunnel- urrentmodelandonits
imple-mentation . . . 129
4.6.3.1 Thephysi almodel . . . 129
4.6.3.2 Numeri alimplementation . . . 131
4.6.3.3 Exampleofsimulation. . . 132
4.7 Con lusion . . . 132
5 Design ofa single-transverse-modebipolar as ade laser 137
5.1 Tunneljun tions . . . 137
5.1.1 Improvingthetunnel probabilityby hangingthe
onsti-tutingmaterials . . . 138 5.1.1.1 Band-gapenergy . . . 138 5.1.1.2 E e tivemass . . . 138 5.1.1.3 Banddiagram . . . 139 5.1.1.4 Cal ulated hara teristi . . . 140 5.1.1.5 Con lusion . . . 141 5.1.2 Dopinglevel. . . 141
5.1.2.1 Additionallosseswhilein reasingthedoping
on- entration. . . 142
5.1.2.2 Thetrade-o givenbythete hnologi allimit . . 143
5.1.3 Zndi usion . . . 143
5.1.3.1 Generaldes riptionofthezin di usioninIII-V
semi ondu tors. . . 144
5.1.3.2 In uen eoftheepitaxialgrowthparameters . . 148
5.1.3.3 In uen eofthegrownstru ture . . . 150
5.1.3.4 In uen eofthepost-growthtreatment . . . 150
5.1.3.5 Estimationofthematerialdi usion hara teristi s151
5.1.4 Experimental a hievements . . . 153
5.1.4.1 Des riptionofthetest-stru ture . . . 153
5.1.4.2 Current-voltage hara teristi s . . . 154
5.1.4.3 Estimationofthetunneljun tionresistan ewhile
implementedin areallaser . . . 157
5.1.4.4 SIMS measurementsof the tunnel jun tion
di-re tlyonthelaserstru tures . . . 158
5.2 Bipolar as adelasers . . . 160
5.2.1 Optimizationoftheele tri al on nementbarriers . . . . 160
5.2.1.1 Introdu tion . . . 160
5.2.1.2 Presentationofthedesignedstru tures . . . 160
5.2.1.3 Resultsofthesimulation . . . 161
5.2.1.4 Dis ussionontheresults . . . 164
5.2.2 Experimental a hievements . . . 165
5.2.2.1 Des riptionofthegrownstru tures . . . 165
5.2.2.2 In uen e of the urrent blo king layers on the
V(I) hara teristi s . . . 168
5.2.2.3 In uen e of the highly-doped tunnel jun tions
ontheintrinsi losses . . . 171
5.2.2.4 Estimationofthefa et surfa e urrentforBCL 172
5.2.2.5 In uen eofthe urrentspreading . . . 173
5.2.2.6 Demonstrationofthe arrierre y linge e t . . 175
5.2.2.7 In uen eofthenumberofa tiveregions . . . . 177
5.2.2.8 Explanationofthenon-lasingbehaviorof
stru -tureB2 . . . 178
5.2.2.9 Demonstrationofasingle-transverse-mode
bipo-lar as adelaser . . . 179
5.3 Con lusion . . . 182
6 General on lusionand perspe tives 189
6.1 Con lusions . . . 189
6.1.1 Thesisoverlook . . . 189
6.1.2 Worka hievements. . . 190
6.2 Perspe tives. . . 192
6.2.1 Improvementofthedis retear hite tures . . . 192
6.2.2 Improvementoftheintegratedmonolithi BCL . . . 193
B Cal ulation steps forobtainingthe expressionof thetunneling urrent 201 B.1 Cal ulationstepA. . . 202 B.2 Cal ulationstepB. . . 202 B.3 Cal ulationstepC. . . 203 B.4 Cal ulationstepD. . . 204 B.5 Cal ulationstepE. . . 205 B.6 Cal ulationstepF. . . 206 B.7 Cal ulationstepG.. . . 207
C Methods ofstru ture hara terization usedin hapter 5 213
C.1 Four-probemeasurementte hnique . . . 213
C.2 TransmissionLineMethod. . . 214
C.3 Losstransmissionmeasurement . . . 215
General Introdu tion
\The reationoftheradar,whi hwas laimedbythe
Englishwho managedtospreadthisideainAmeri a,was
fa ilitatedtothembythe ir umstan esofthewarandthe
o upationofFran ebytheGermans.Howeverthetruthis
other..."
EmileGirardeau,Memberofthe \A ademiedes
S ien esmorales et politiques"
1.1 From the blurred origins of radar
engineer-ing to urrent resear h on opto-RF links
RADAR(RadioDete tionandRanging)systemshaveavery ontroversial
his-tory. Forthes ienti prin iple,s ien ehistoriansareunanimousto laimthat
itallbeganin1888whenHeinri hRudolfHertz(see gure1.1-(a)) rst
exper-imentallyproved the existen eof ele tro-magneti waves that James Maxwell
theoreti allypredi tedin1873. Forthete hnologi alrealizationhowever,there
aredivergentpointsofview. Thepaternityofthe on eptis urrentlyattributed
to Robert Wattson-Watt, who had radarstations installed fordete ting ships
orplanes alongGreatBritaineast oast in 1935. History retainshis name
be- auseoftheeminentrolethedete tionsystemhasplayedduringWWIIairborne
battlesinsouthGreatBritain,in1940.
Buttheexisten eofaFren hpatentdatedJuly1934[1℄raisesdoubtsabout
theBritishoriginofthedevi e. Itdes ribesele tro-magneti studies ondu ted
nearPalaiseau(southofParis,Fran e)withwavelengthrangingfrom16 mto
80 m. The rstshipequipped with aradardete tion systemwas the Fren h
argo\Oregon",onwhi hdete tionwasrealizedin 1934upto12marinemiles
(20km)[2℄. ItwastheninstalledontheFren hship\Normandie"(see gure
Figure1.1History oftheradarsystem: somepi turesfromthepast.
(a)Heinri hR.Hertz,1890 (b) The radar system on the
ship\Normandie",1934
Be auseofthede isiveuseofradarsystemsbytheAtlanti Coalitionduring
theSe ondWorld War,itis a tuallysurprising to nd thefatherofthe radar
system on theother side of the Fren h-German border. Christian Hulsmeyer
inventedin1904adevi e alled\Telemobiloskop"[3,4℄. Designedtodete t
i e-bergsontransatlanti ships,thisdevi eis onsideredtodayasthetruean estor
of modern radar ( f. gure 1.2). Thirtyyears later (early1934), still in
Ger-many,the rst\modern"radarsystemfordete tingshipsis ommer ializedby
the ompanyGEMAfoundedbyanotherradarpioneer: Dr. HansE.Hollmann
[4℄.
Figure 1.2TheGermanpatentfor\Telemobiloskop",thean estorofmodern
radar.
Sin e the30's, theradar emitter-dete tordevi e hasnot hanged
ele tro-magneti signal to the a tive element. What has been drasti ally advan ed
however is the signal transmitted via the radar antenna and its
orrespond-ing re eiver. There is now a need for arrier wavelength as short as possible
to in rease dete tion pre ision as well as high RF power to improve
sensitiv-ity. Furthermore,withtheemergen eofele troni warefare,weneedtoresolve
thewhole mi rowavespe trum, from afew kHz, to several tens of GHz! The
requirements for radar systems and above all, the spe i ations required for
radar-drivingRF ir uitshave aught up with theele troni stateof the art,
forinstan eintermsofbandwidthtransmission apa ity.
Now, thanks to the very high bandwidth available in su h systems, the
re entdevelopmentofopti altransmissionte hnologiesappearedtobeofmajor
interest for use in radar systems. In this ontext, opto-RF link are urrently
developedtobeimplementedinradarsystems. Theresear hworkpresentedin
this thesis fo uses on theimprovementof opto-RF link hara teristi s by the
useofaspe i devi e: thebipolar as adelaser(BCL).
IntheGeneralIntrodu tionIwilllistsomeappli ationsforwhi htheuseof
BCL anbeade isiveasset,explainbrie ythefun tionsofthebipolar as ade
laser, and des ribe thestate-of-the-art of bipolar as ade laser. Eventually, I
willgiveabriefoutlineofthefollowingthesisreport.
1.2 What industrial appli ations an gain from
opto-RF links
Theworkpresentedinthisthesishasbeena hievedwithintheMi rowave
Pho-toni sLab. (MPL)atThalesResear h&Te hnology,Orsay,Fran e. TheMPL
is a Thales Corporate resear h entity developing te hnologies intended to be
in orporatedin systems designedby GroupThales ompanies, namelyThales
Airborne Systems, Thales Air defense, Thales Ele tron Devi es, and Thales
Communi ations. The MPL fo uses on the development of omponents and
systems aiming at transmitting the RF signal emitted/re eived by the radar
antennabetweenthephysi alradiativeelementandtheinformationpro essing
module.
This se tionprovidestwotypi alexamplesoftheuse ofopto-RFlinks,for
whi h abipolar as adelaserwouldbeused, whenitsexpe ted hara teristi s
aretobeattained.
1.2.1 Ground radars
Inthespe i aseofnowadaysgroundradars,theinformationpro essing
mod-ule standsvery lose to the radiativeelement in order to redu e transmission
losses. A s hemati viewof urrentlyimplementedar hite ture isdepi ted on
gure1.3-(a). Theusefulinformationisthentransmittedtothede isionmodule
viastandardbase-band information transmission proto ols. This ar hite ture
entailssomeimportantdrawba ks:
Theexpensiveinformationpro essingmodule ontainingthemainpartof
thelinkintelligen eisvulnerabletoweather onditionsas wellas
The informationpro essingmodule is lo ated as loseas possibleto the
radiative elements. The transmitter unit generates heat that may alter
theperforman esofthere eivermodule.
Theusefulinformationmaybeinter eptedalongthetransmissionlink.
The information pro essing module ontaining thedefense-prote ted
al-gorithmsneedtobemilitarily se ured.
Figure 1.3 S hemati omparison between urrently used ele tri al (a), and
proposed opto-RF(b)transmissionar hite turesforgroundradar.
Complete
signal
processing
Strategical
decision
Useful information:
• threat type
• speed
• ...
(a)Strategical decision center:
• Sheltered information
processing
• Only one center of
information processing for
several antennas
Opto-RF link
(b)
This ar hite turemaybefurther enhan edusing a beropti al (FO) link,
s hemati ally represented on gure 1.3-(b). The FO link onsists of a laser
sour e, a photodiode, and theopti al ber. The RF signalis transmitted
as-re eiveddire tly tothe entralpro essingunitwhi h entralizesalsothe
wave-form generation fun tion. Even forseveral antennas,auniquese ured shelter
ontains all the ostly and defense-sensitive devi es. Regarding the required
bandwidth(upto5-6GHz), andthetypi aldistan ebetweentheantennaand
the shelter (a few hundred meters), this ar hite ture annot be realized with
ele troni stransmissionandrequiresopto-RFlinks.
1.2.2 Ele troni warefare
Anotherdomainofappli ation on ernsele troni warefare;thedefense ofthe
ele tro-magneti spe trum. Toprevent missile atta ks or information spying,
air raftsneednowadaystogetpre iseinformationonanyele tro-magneti
sig-nalemittedinitsvi inityoveraverylargebandwidthofinterest(uptotensof
Figure 1.4 S hemati of the ele troni warefare equipment installed on an air raft.
Information
processing
Re eiverspla edalongtheairplanetransmitrawinformationtoan
informa-tion pro essing module. Figure 1.4 illustrates s hemati ally this ar hite ture.
Phase triangulation enables for instan e to identify the angle of arrival of a
threat. The al ulationoftheangleisallthemorea urateasthere eiver
ele-mentsare farfromea hother. Forairborneappli ations,the beropti
trans-mission of the raw data enjoys a lot of me hani al advantages: light weight,
smallbendingradius whi h saves ostlyvolume, immunity toele tro-magneti
perturbation...
1.2.3 Other advantages of opto-RF links
In addition, an opti al information network enablesthe development of
addi-tionalfun tions:
Broad-band, at ampli ation: opti ally amplifying a modulated light
signalsimultaneouslyampli estheRFsignaloverthewholebandwidth.
Useofwavelengthmultiplexingthatenableparallelpro essingofdi erent
RFsignals.
Othersspe i propertiessu hasbidire tionaltransmissionofseveralRF
arriersor lo alos illatorsthroughanopti alrotatingjoint.
1.3 Current opto-RF links short omings
Figure1.5 displaysthes hemati of asimpleopto-RFlink. Thedire tly
mod-ulatedlasersour e onvertstheinputRFsignalinto amodulatedlightsignal.
Thislightbeamis transmittedviathe opti al berand onverted againto an
Figure1.5S hemati ofasimpleopto-RFlink.
Photo-receiver
Laser
source
P
(RF)in
P
(RF)out
The RF link gain, de ned as g
RF = P (RF)out P (RF)in
isverylow for non-optimized
opto-RF links (in the order of -30 dB). In order to be adopted in systems,
despite all the remaining advantages of opto-RF links, the requirements are
veryambitious: weneedtoa hievealoss-lesslink(g
RF
=0dB!).
Besides,anotherkeyparameteristhenoise gure(noiseaddedbythe
opto-RFlink),whi hisgivenby
NF= P (RF)in =P (noise)in P (RF)out =P (noise)out
It urrentlylies in the order of 40 dB. This veryhigh gure is mainly due to
thepoorlink gainandsomeadditionalnoiseintrodu edbythelaser. Itshould
beredu edto10dBtospreaditsimplementationin systems.
Thisthesisproposesanewlaserdevi e,thebipolar as adelaser(BCL),to
in reasetheRFlink gainin linewith theobje tivesofthepresentresear hin
the eldofopto-RFtransmission.
1.4 Prin iple of the bipolar as ade laser
Asemi ondu torlaserisusually omposedoflayersofsemi ondu tormaterials
forming an a tive p-n jun tion. Above a urrent threshold, inje ted arriers
(ele tronsin then-side,andholesinthep-side)re ombinein thea tiveregion
andmaygivebirthtoonephoton(see gure1.6-(a)). Inpra ti e,theemission
pro essen ounterslosses. Thequantumexternaldi erentialeÆ ien yisde ned
asthenumberofphotonsemittedfromonelaserfa et,foroneele tron-holepair
inje ted. This gureis proportionalto the slope of the opti al
power-versus- urrent urve,whi his alleddi erentialexternaleÆ ien y(
d
)andisexpressed
in W/A. Thequantum di erentialeÆ ien y typi ally liesin the orderof 25%
(whi h orresponds to
d
'0:2 W/Aforan emissionat 1.55m), and an be
raisedup to 50%(
d
' 0:4 W/A)with properhigh-re e tivity/anti-re e tive
oatings.
A bipolar as ade laser is omposed of N p-n a tive jun tions epitaxially
sta ked. The inje ted ele trons go through the N jun tions and potentially
emit a photon in every jun tion (see gure 1.6-(b)). One ele tron may give
birth to several photons! As a onsequen e, di erential external eÆ ien y
d
in reasesapproximatelybyafa torofN,asshownin gure1.6.
Besides, this di erential eÆ ien y is also the low frequen y response to a
urrent modulation. The same urrentmodulation applied to thebipolar
