Réalisation et optimisation de nanostructures à base de semiconducteurs III-V pour les applications de VCSEL accordables

Fabrication and optimization of III-V semiconductor-based nanostructures for tunable VCSELs applications

• Auteur / Autrice : Jean-Philippe Gauthier
• Direction : Olivier Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Discipline Physique Optoélectronique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Rennes, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Résumé

Le travail de thèse porte sur l’étude et l’optimisation de lasers verticaux émettant par la surface (VCSEL) accordables pour les applications télécom à 1,55µm. Les VCSEL étudiés intègrent notamment des puits quantiques contraints, ou des nanostructures filaires (ou Fils Quantiques – FQ) possédant des propriétés optiques remarquables. Une attention particulière est accordée aux propriétés thermiques et optiques des cavités développées et des solutions sont proposées pour l’amélioration des performances laser. Notamment, le développement de pseudo-substrat métallique par dépôt électrolytique de cuivre en remplacement du report par brasure or-indium classiquement utilisé, a permis une diminution de la résistance thermique globale du composant, ainsi qu’une augmentation significative de la surface des échantillons. En outre, la technologie de miroirs enterrés, favorisant l’évacuation thermique latérale est introduite et des résultats préliminaires mettent en avant l’avantage du procédé. D’autre part, l’utilisation de FQ comme milieu actif a permis la réalisation d’un VCSEL contrôlé en polarisation. Les paramètres de croissance des FQ par épitaxie par jet moléculaire sont étudiés et les propriétés de polarisation en régime statique et dynamique sont étudiées. Enfin, l’insertion de cristaux liquides nématiques (CLN) comme couche d’accordabilité a permis d’obtenir une accordabilité du spectre laser sur 30nm. L’association des CLN aux VCSEL contrôlés en polarisation permet d’envisager la réalisation de VCSEL massivement accordables.

This thesis deals with the study and optimization of tunable vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) for optical telecommunications at 1. 55µm. In particular, described components may integrate strained quantum wells, or wire-shaped nanostructures (Quantum Dashes - QDH), which have outstanding optical properties. A peculiar attention has been paid to thermal and optical properties of the micro-cavities. Solutions are proposed to enhance the performance of the device. We particularly developed the electrodeposition of a copper pseudo-substrate, as a substitute to the classically used metallic bonding. The use of this technology allowed a significant increase of the size of the samples, as well as decrease in the total thermal resistance of the device. More over, buried Distributive Bragg Reflectors (b-DBR) have been investigated. Preliminary results show a clear benefit of the process in the lateral heat spreading out of the active region. Secondly, the use of QDHs as an active region allowed the achievement of a polarization-controlled VCSEL. Growth by molecular beam epitaxy is investigated, and static and dynamic properties of polarization of the VCSELs are studied. Finally, we present the insertion of nematic liquid cristals (NLC) inside the cavity, as a tuning layer. This technology showed laser emission over a 30 nm tuning range. Association of NLC with the QDH allows to envisage massively tunable polarization-controlled VCSELs.