Lasers moyen infrarouge innovants pour analyse des hydrocarbures

par Sofiane Belahsene

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Yves Rouillard.

Soutenue le 14-12-2011

à Montpellier 2 , dans le cadre de Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014) , en partenariat avec IES - Institut d Electronique du Sud (laboratoire) .

Le jury était composé de Yves Rouillard, Saigne Frederic, Joël Jacquet, Laurent Cerutti, Manijeh Razeghi.

Les rapporteurs étaient Nicolas Bertru, Abderrahim Ramdane.


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse, réalisée dans le cadre du contrat européen Senshy, était la réalisation de diodes laser émettant dans le moyen infrarouge (de 3,0 à 3,4 µm). Ces diodes sont destinées à intégrer des détecteurs et des systèmes d'analyse de gaz basés sur le principe de la spectroscopie d'absorption (TDLAS) pour la détection des alcanes (méthane, éthane, propane) et des alcènes (acétylène). Les structures à puits quantiques de type I ont été réalisées par épitaxie par jets moléculaires sur GaSb.Bien qu'ayant d'excellentes performances dans la gamme 2,0-3,0 µm, les lasers GaInAsSb/AlGaAsSb montrent rapidement leurs limites en franchissant la frontière des 3 µm (la longueur d'onde la plus haute atteinte avec un tel composant est de 3,04 µm en continu à 20°C). Cette situation était d'autant plus regrettable que plusieurs gaz ont leurs raies d'absorption au-delà de 3 µm : le méthane par exemple a un pic d'absorption à 3,26 µm 40 fois plus fort que celui à 2,31 µm. En remplaçant le quaternaire AlGaAsSb par le quinaire AlGaInAsSb, nous avons montré que l'on pouvait améliorer l'efficacité quantique interne et avons obtenu des densités de courant de seuil à 2,6, 3,0 et 3,3 µm qui pouvaient être comparées favorablement aux précédents records à ces longueurs d'onde (respectivement, 142 A/cm², 255 A/cm² et 827 A/cm²).Les diodes laser DFB fabriquées à partir des structures epitaxiées ont permis d'atteindre l'émission laser à température ambiante en continu à 3,06 µm avec un caratère mono-fréquence (SMSR supérieur à 30 dB) et un courant de seuil de 54 mA. À 3,3 µm, les diodes DFB fonctionnent en continu jusqu'à 18°C avec un SMSR > 30dB et un courant de seuil de 140 mA. Finalement, ces diodes ont été intégrées dans un système d'analyse de gaz et ont permis d'atteindre une limite de concentration du méthane de 100 ppbv soit 17 fois moins que la concentration du méthane dans l'air ambiant.

  • Titre traduit

    Study of mid-infrared lasers for innovative analysis of hydrocarbons


  • Résumé

    The objective of this thesis, conducted as part of the European contract Senshy, was the realization of laser diodes emitting in the mid-infrared range (from 3.0 to 3.4 µm). These devices are to be integrated into detectors and gas analysis systems based on the principle of absorption spectroscopy (TDLAS). for the detection of alkanes (methane, ethane, propane) and of alkenes (acetylene). The quantum well type-I structures were made by molecular epitaxy on GaSb. Despite having excellent performance in the 2 to 3 µm range, GaInAsSb/AlGaAsSb quantum well lasers rapidly show their limits when crossing the 3 µm barrier (the highest wavelength reached with such a device was 3.04 µm under cw operation at 20°C). This situation was all the more regrettable because several gases have their strongest absorption lines in the 3 to 4 µm range: methane, for example, has a peak of absorption at 3.26 µm overhanging a weaker peak at 2.31 µm by a factor 40. By replacing the quaternary AlGaAsSb by the quinary AlGaInAsSb, we have shown that the internal efficiency could be improved and we have obtained threshold current densities at 2.6 , 3.0 and 3,3 µm that could be favourably compared to the previous records at these wavelengths (respectively, 142 A/cm², 255 A/cm² and 827 A/cm²).DFB laser diodes made from the epitaxial structures were operated at room temperature in the continuous wave regime at 3.06 µm with a single-frequency emission (SMSR greater than 30dB) and a threshold current of 54 mA. At 3.3 µm, DFB devices were operated in cw up to 18 ° C with a SMSR > 30 dB and a current threshold of 140 mA. Eventually, these devices were integrated into a gas analysis system and allowed to reach a concentration limit of 100 ppbv of methane, i.e. 17 times less than the concentration of methane in the air.


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