4.2. Lasers à semi-conducteurs - eea.univ- · PDF fileInversion de population !!! Chap 4.2 Composants photoniques - M2 EEA 11 Construction d’un laser à semiconducteur ... Semi-réfléchissante

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


4

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


5


6

VCSEL: Vertical-Cavity Surface-Emitting LaserContrôle des épaisseurs à qques Å près !!


7

4.2.2 Structure laser



9


LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Laser = oscillateur optique


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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 !!!


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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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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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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


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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



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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.



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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.



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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



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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)


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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)


32

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



34

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

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mnL

dmd

mdmnLd

mnL m

mm 22

222−=⇒−=⇒= λλλ

nLm

dmd m

2

2

λλ −=


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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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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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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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