Ce travail de thèse porte sur l’étude et la réalisation de lasers à cavité verticale accordable et émettant à 1,55 µm, destinés aux applications télécom, capteurs intégrés et imagerie médicale. En vue de réaliser des VCSELs accordables sur une large gamme spectrale (>> 50 nm), ce travail de thèse s’est attaché à étudier et à améliorer les éléments clés constitutifs de ces dispositifs, à savoir : les miroirs de Bragg, la zone active, et les performances optiques et thermiques des VCSELs. Le fort contraste d’indice (Δn∼1,9) des matériaux diélectriques (a-Si/a-SiNx) a permis d’avoir une bande passante du miroir de Bragg suffisamment large (∼700 nm) et des hautes réflectivités (∼99,6 %), assurant un bon fonctionnement du VCSEL.
Pour la région active, nous avons opté pour les fils quantiques, qui grâce à leur dispersion en taille, permettent de bénéficier d’un gain matériau large bande. La réalisation d’un VCSEL à fils quantiques avec des miroirs diélectriques a permis une première démonstration internationale d’une émission laser sur un large domaine spectral de plus de 117 nm, couvrant ainsi les bandes de télécommunication optique C et L. L’émission laser est obtenue sous pompage optique continu jusqu’à une température de 42 °C avec une puissance émise maximale de 1,3 mW.
Pour améliorer la puissance émise du laser, une étude en fonction du nombre de paires du miroir de sortie a été conduite. Pour un nombre de paires variable (4, 5 et 6 paires), le meilleur compromis a été obtenu pour un miroir de sortie comportant uniquement 4 paires, permettant d’accroitre la puissance émise de 0,1 mW (6 paires) à 1,3 mW (4 paires). Dans ce cas, l’amélioration des performances optiques s’est traduite également par un meilleur rendement quantique différentiel externe du laser et une augmentation de la plage de fonctionnement en puissance de pompe.
Afin d’améliorer la dissipation thermique du VCSEL, le concept du miroir hybride a été développé. Ce dernier permet de conserver voire d’améliorer la réflectivité du miroir diélectrique classique tout en réduisant le nombre de paires le constituant. Ceci a permis de démontrer expérimentalement une diminution de 29 % de la résistance thermique, ce qui confirme l’efficacité du miroir hybride pour être une alternative potentielle au miroir diélectrique classique. Cette amélioration de l’aspect thermique a permis une augmentation de la température de fonctionnement jusqu’à 45 °C et une puissance émise maximale de 1,8 mW.
La réalisation du procédé TSHEC combiné au miroir hybride enterré, a permis d’améliorer encore davantage les performances optiques et thermiques du VCSEL. Ainsi, avec un miroir enterré de 20 µm de diamètre, nous avons démontré une puissance émise maximale de 2,2 mW avec une plage de fonctionnement en puissance de pompe plus large et une température de fonctionnement allant jusqu’à 55 °C.
L’ensemble de ces optimisations seront prochainement implémentées dans les structures VCSELs accordables du projet ANR Hypocamp.
Composition du jury
| Christophe LABBE | Maître de conférences-HDR, CIMAP-UCBN, Caen | Rapporteur |
| Véronique BARDINAL-DELAGNES | Directrice de recherche, LAAS, Toulouse | Rapporteur |
| Laurent LE BRIZOUAL | Professeur, IETR, Université de Rennes 1 | Examinateur |
| Alain LE CORRE | Professeur, Foton, INSA, Rennes | Directeur |
| Christophe LEVALLOIS | Maître de conférences, Foton, INSA, Rennes | Co-encadrant |
| Cyril PARANTHOEN | Maître de conférences, Foton, INSA, Rennes | Co-encadrant |
| Stéphane TREBAOL | Maître de conférences, Foton, Enssat, Lannion | Invité |
Le manuscrit est disponible sur TEL : tel-01358722