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Composants photoniques
Chapitre 4 : Lasers
4.2. Lasers à semi-conducteurs
4.2.1 Introduction
LASERS à semiconducteurs
Chap 4.2 Composants photoniques - M2 EEA
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Qu’est-ce qu’un laser ?
LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Laser = oscillateur optique
Chap 4.2 Composants photoniques - M2 EEA
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Lasers à semiconducteurs
Milieu amplificateur: semiconducteurCavité: faces clivées, mirroir, cavité externePompage: injection électrique, pompage optique
Face clivéeSemi-réfléchissante
Mirroir
0.1 à
3 mm
qques µm
qque
sµm
Chap 4.2 Composants photoniques - M2 EEA
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Chap 4.2 Composants photoniques - M2 EEA
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VCSEL: Vertical-Cavity Surface-Emitting LaserContrôle des épaisseurs à qques Å près !!
Chap 4.2 Composants photoniques - M2 EEA
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4.2.2 Structure laser
LASERS à semiconducteurs
Chap 4.2 Composants photoniques - M2 EEA
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Qu’est-ce qu’un laser ?
LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Laser = oscillateur optique
Chap 4.2 Composants photoniques - M2 EEA
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Qu’est-ce qu’un laser ?
LL’’effet laser repose sur leffet laser repose sur l’’intintééractionraction du milieu du milieu amplificateur avec le rayonnement (avec le amplificateur avec le rayonnement (avec le champ champ éélectromagnlectromagnéétique).tique).
Condition sine qua non pour avoir effet laser ?Condition sine qua non pour avoir effet laser ?Inversion de population !!!Inversion de population !!!
Chap 4.2 Composants photoniques - M2 EEA
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Construction d’un laser à semiconducteur
Il faut favoriser:
L’accumulation de porteurs dans la zone de recombinaisons (zone active): « confinement des porteurs »
Objectif: inversion de population
Le recouvrement du champ électromagnétique et de la zone active: « confinement optique »
Objectif: intéraction milieu / rayonnement
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Lasers à semiconducteurs
Pompage: injection électrique– Jonction p – i – n polarisée en direct– Structure type « cascade » (unipolaire)
Recombinaisons (radiatives !) dans la zone i
Zone i = zone active
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Lasers à semiconducteurs
Amplification dans la zone active si:
Recombinaisons dans zone active:– Confinement des porteurs (i.e., e et h) ds zone active– Propriété: gap
Champ électromagnétique dans zone active:– Confinement des photons dans zone active– Propriété: indice de réfraction
Chap 4.2 Composants photoniques - M2 EEA
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Lasers à semiconducteurs – Double Hétérostructure
ΔEg ⇒ Confinement des porteurs
Δn ⇒ Confinement optique
W ~ 100 nm
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Lasers à semiconducteurs – Confinements séparés
EBC
Confinement optiqueW ~ 100 nm
Confinement porteursW ~ 10 nm
Structures à puits quantiques
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Exemple de structure laser
Notez la complexité….d’un laser simple !!
Substrat Couches de confinementGuide d'ondeZone activeCouche de contact
Grand gapGap intermédiairePetit gapDopage facile
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Laser à semiconducteurs ?
Composant « laser »
⇓
Injection de courantPuissance lumineuse émiseSpectre d’émission
Milieu amplificateurCavité
Pompage
N.B.: pour certaines applications, pompage optique
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Lasers à semiconducteurs – Seuil laser
Faible pompage:– Absorption – Émission spontanée
⇓
Diode électroluminescente… au mieux
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Lasers à semiconducteurs – Seuil laser
Fort pompage:– Absorption – Émission stimulée
⇓
Au dessus du seuil: émission stimulée > absorption
Laser !!
4.2.3 Seuil laser
LASERS à semiconducteurs
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L’équation d’évolution de la population d’électrons dans la zone active s’écrit :
dN/dt = Ggen - R
Ggen = taux d’injection des e- dans la zone active (composant alimenté par courant I)
Ggen = ηiI/qV
– ηi rendement quantique interne = fraction de porteurs injectés qui atteignent la zone active.
– V = volume zone active
Population de porteurs
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R = taux de recombinaison des e-
R = AN + BN2 + CN3 + Rst(N)
L’ensemble des processus spontanés est caractérisépar une durée de vie, τ:– Si processus spontanés seuls: dN/dt = - N/τ– Ou encore: N/ τ = AN + BN2 + CN3.
Population de porteurs
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On peut donc écrire:
dN/dt = Ggen - RGgen = ηiI/qVR = N/τ + Rst
R = AN + BN2 + CN3 + Rst
dN/dt = ηiI/qV – N/τ – Rst.
Population de porteurs
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Seuil laser
Sous le seuil: Rst = 0Régime stationnaire: dN/dt = 0
Rrec = AN + BN2 + CN3 = N/τ0 = ηiI/qV – N/τ.
A la limite du seuil:(AN + BN2 + CN3)th = Nth/τ
ηiIth/qV = Nth/τ = (AN + BN2 + CN3)th
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Seuil laser
Au seuil: ηiIth/qV = Nth/τ = (BN2 + AN + CN3)th
Expérimentalement: on injecte le courant d'intensité IIth = qVNth/τηi = qV(AN+ BN2 + CN3)th/ηi
Pour diminuer le courant de seuil il faut:– Augmenter la durée de vie des porteurs τ
• Diminuer les pertes diverses• Qualité du matériau
– Augmenter ηi• Qualité du matériau• Technologie du composant
– Diminuer la densité de porteurs au seuil Nth• bandgap engineering: contrainte,..
– Diminuer le volume de la zone active V• Nanostructures !!
4.2.4 Puissance émise
LASERS à semiconducteurs
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Caractéristique Puissance - courant
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ΔΔ
=IP
hq
dν
η
ηd = nombre de photons émis par électron injectéηd est obtenu à partir de la caractéristique P(I)
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ηi = rendement quantique interneαi = pertes internes
On sait maintenant comment mesurer ηd d’après la caractéristique Puissance émise = f(courant injecté).
Or, on peut montrer :
Avec αFP = 1/2L ln (1/R1R2), R1,2 = réflectivités des miroirs.
( )FPi
FPidαα
αηη+
=
( )( )RL
Ri
id 1ln
1ln
+=
αηηDonc:
(diodes planes avec R1 = R2 = R)
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ηi = rendement quantique interneαi = pertes internes
( ) ii
id
LR
ηηα
η1
1ln1 +=⇒
On peut donc calculer αi et ηi à partir des caractéristiques P(I) obtenues pour une série de diodes de longueurs différentes:– L’ordonnée à l’origine donne ηi
– La pente permet alors d’obtenir αi
( )( )RL
Ri
id 1ln
1ln
+=
αηη
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Températures caractéristiques
Les performances des lasers se dégradent quand la température augmente. On définit deux "températures caractéristiques" empiriques qui sont des critères de qualitédes lasers.
Le seuil laser augmente avec la températureIth = I0 exp(T/T0)
Le rendement différentiel externe diminue avec la température:
ηd = η0 exp(-T/T1)
Chap 4.2 Composants photoniques - M2 EEA
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Exemple: diode laser à GaSb (CEM2)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000
20
40
60
80
100
Pui
ssan
ce o
ptiq
ue (m
W)
Courant (mA)
20 °C, 30 °C, ... , 100 °C
1 µs, 10 KHz
P(I) pour différentes températures (diode : 1 mm x 100 µm)
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Exemple: diode laser à GaSb (IES)
On en déduit:
280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 3800.2
0.22
0.24
0.26
0.28
0.3
0.32
0.34
0.360.38
Cou
rant
de
seui
l (m
A)
Température (K)
η d
200
250
300
350
400
450
500
T1=50 K
T1=144 K
T1=278 K
T0=87 K
4.2.5. Spectre d’un laser Fabry-Pérot
LASERS à semiconducteurs
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Spectre d'un laser à cavité Fabry-Pérot
C'est le produit du gain par le peigne du Fabry-Pérot.
Milieu amplificateur
Cavité
Milieu amplificateur +
Cavité
Δλ
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Espacement intermodes dans une cavité Fabry-Pérot
Si on considère n = cste:
Espacement intermodes: Δλ= λ2/2nL
2nL = mλm
m = 2nL/ λm
R2
L
R11 2
34
mnL
dmd
mdmnLd
mnL m
mm 22
222−=⇒−=⇒= λλλ
nLm
dmd m
2
2
λλ −=
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Lasers à semiconducteurs
Milieu amplificateur: semiconducteurCavité: faces clivées, mirroir, cavité externePompage: injection électrique, pompage optique
Face clivéeSemi-réfléchissante
Mirroir
0.1 à
3 mm
qques µm
qque
sµm
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Valeurs typiques pour une diode laser FP àémission par la tranche: λ ~ 1.2 µm, L= 400 µm, n=3.Quelle est la valeur de m ?
Modes dans une cavité Fabry-Pérot
Exemple: laser à émission par la tranche
m = 2000 Que vaut λ si m varie de ± 1 ?λ = 1.1994 µm et λ = 1.2006 µm, Δλ= λ2/2nL = 0.6 nmConclusion ?Le laser va émettre sur de nombreux modes très proches.
Laser FP à émission par la tranche = laser multimode
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Valeurs typiques pour un VCSEL: λ ~ 1.2 µm, L= 1 µm, n=3.Que vaut m ?
Modes dans une cavité Fabry-Pérot
Exemple: VCSEL
m = 5Que vaut λ si m varie de ± 1 ?λ = 1.5 µm et λ = 1.0 µm.Conclusion ?Le laser va émettre sur un seul mode de la cavité.
VCSEL=laser monomode
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Spectre d'un laser à cavité Fabry-Pérot
Laser à émission par la tranche: nombreux modes dans la courbe de gain: laser multimode.VCSEL: un seul mode dans la courbe de gain: laser monomode.
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Spectre d'un laser à cavité Fabry-Pérot
Laser à émission par la tranche: nombreux modes dans la courbe de gain: laser multimode.
VCSEL: un seul mode dans la courbe de gain: laser monomode.