Nouvelles méthodes pour l'injection électrique et le contrôle du diaphragme d'oxyde dans les VCSELs

New methods for electrical injection and oxide aperture control in VCSELs

• Auteur / Autrice : Natan Monvoisin
• Direction : Guilhem Almuneau, Stéphane Calvez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Soutenance le 17/11/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Béatrice Dagens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tomasz Czyszanowski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luiz Poffo, Xavier Letartre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodes transparentes

Lasers à émission par la surface à cavité verticale

Photonique

Mots clés libres

Photonique

Vcsel

Electrodes transparentes

Réseaux sub-Longueur d'onde

Diaphragme d'oxyde

Source à spectre structuré

Photonics

Vcsel

Transparent electrodes

Sub-Wavelength gratings

Oxide aperture

Spectrally-Shaped source

Résumé

Les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) sont des sources de lumière cohérente de taille micrométrique de plus en plus attractives pour une grande variété d'applications, et déployées à ce jour principalement sur des technologies de communications de courte portée, capteurs 3D, et LiDAR. La grande majorité de ces structures VCSELs sont basées sur l'intégration d'un ou plusieurs diaphragme(s) d'oxyde, couplé(s) à une électrode métallique annulaire pour l'injection du courant électrique par la surface sans obstruction du faisceau émis. Cela permet de combiner efficacement confinement optique et électronique, de manière à sélectionner finement les modes transverses excités tout en atteignant de faibles courants de seuil.Cette thèse propose de traiter deux grandes problématiques sur les VCSEL :La première étant liée au confinement latéral et la nécessité du contrôle précis des dimensions du diaphragme de confinement pendant le procédé d'oxydation;La seconde a trait à la limitation de puissance d'émission quand ces dispositifs atteignent de plus grandes surfaces actives du fait de l'injection électrique non-uniforme.Une solution à la première problématique est apportée par le développement d'une source structurée et par son intégration dans un système de microscopie optique implémenté sur un four d'oxydation. L'optimisation du spectre d'illumination maximisant la discernabilité de l'oxyde par rapport au matériau non oxydé a permis d'améliorer cette technique de suivi du procédé.Par ailleurs, le développement d'un nouveau type d'électrodes métalliques, nanostructurées, et transparentes dans le proche infrarouge est proposé pour répondre à la deuxième problématique. Ces structures sub-longueur d'onde ont été fabriquées et caractérisées optiquement et électriquement, et sont prometteuses pour l'homogénéisation de l'injection du courant électrique sur de grandes surfaces actives, de manière à lever cette limitation de puissance optique du composant en maximisant la surface effective d'émission.

Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL) are micrometric coherent light sources that are already ubiquitous in datacom, 3D sensors, and LiDAR technologies and are becoming increasingly attractive for a wide variety of other applications. The most widespread VCSEL structures embed one or several oxide apertures together with a metallic ring contact for the electrical current injection from the top-surface of the device thereby avoiding obstructing the emitted beam. This technique efficiently combines optical and electrical confinement, and offers the possibility of transverse optical mode distribution fine tuning in the cavity, and the achievement of very low threshold currents.This thesis addresses two major issues of VCSELs :The first one is tied to the lateral confinement and the need of the accurate control of the confinement aperture dimensions during the oxidation process.The second one deals with the device emission power limitation when its active surface area becomes large, caused by electrical current injection non-uniformity.The first issue is addressed with the development of a spectrally-shaped source and its integration in an optical microscopy system implemented over an oxidation furnace. The illumination spectrum optimization maximizing the discernability between oxidized and unoxidized material improves this optical monitoring technique.The development of a new type of metallic electrodes, nanostructured, and transparent in the near infrared spectral region, is presented to address the second issue. Those sub-wavelength structures have been fabricated and characterized optically and electrically, and are promising for electrical current injection homogenization over large active areas, in order to maximize the effective emission area and unlock the emission power limitation.