Soutenance mémoire
Les lasers et leurs applications
Un laser est un dispositif générant de la lumière dont les caractéristiques telles que la couleur, la cohérence, l’intensité, et la direction sont déterminées. L’idée d’un tel dispositif est apparue dès le début du 20ième siècle et la première mise en œuvre avec succès en 1960. Le laser a depuis, été développé sous de nombreuses formes pour parvenir à des spécificités particulières de couleur et de puissance d’émission, à la génération d’impulsions à fréquence constante ou sous déclenchement contrôlé, à un temps de réponse de plus en plus court… De ce fait le laser est maintenant un outil indispensable et abondant dans de très nombreux domaines tels que la recherche, l’industrie, la défense, le transport, la médecine, la géoscience, l’archéologie… et également pour l’usage domestique [Weber2001].
Par exemple, la cohérence de la lumière issue d’un laser permet la mise au point de systèmes de mesure avec des résolutions meilleures voire même nettement meilleures que le micromètre. Ou encore, les lasers impulsionnels de haute puissance tels que les lasers à fibre optique peuvent générer des impulsions dont la puissance crête peut atteindre plusieurs gigawatts. De plus, la directivité d’émission permet de concentrer toute la puissance en une seule zone de l’ordre de quelques micromètres de diamètre. L’intensité sur cette zone peut alors être suffisamment élevée pour atteindre l’ablation de la matière soumise à ces impulsions, autrement dit, l’évaporation de la matière sous l’effet de l’intense champ électrique durant les impulsions.
La technologie des semiconducteurs permet de réaliser des lasers de qualités remarquables pour leur petite taille, leur robustesse et leur facilité de mise en œuvre puisqu’ils sont alimentés électriquement et présentent une faible consommation. C’est effectivement ce type de lasers qui ont le rendement en puissance le plus élevé et une durée de vie parmi les plus longues. Ces qualités font de ces lasers, des composants très performants en terme de rapidité. De plus, le contrôle des propriétés des matériaux composant leur zone active permet de générer des longueurs d’ondes couvrant le spectre infrarouge et visible. Ainsi, ces lasers sont depuis deux décennies, présents dans la quasi-totalité des foyers, des voitures, des bureaux au sein des lecteurs et graveurs de CD, DVD, et plus récemment, de Blu ray où le faisceau laser est focalisé pour former un spot de quelques dixièmes de micromètre de diamètre, pour graver dans un substrat organique au sein du disque. En effet, plus la longueur d’onde est courte, plus le diamètre du spot focalisé est petit. La quantité de données enregistrées peut donc augmenter, ainsi que les fréquences de modulation durant la gravure. Ce sont essentiellement ces qualités de rapidité et de flexibilité sur la longueur d’onde d’émission qui font que ces lasers sont également les composants les plus utilisés au sein des télécommunications optiques.
L’utilisation de la lumière et des fibres optiques comme moyen de communication, présente un avantage de bande passante très élevée, de faibles pertes et d’immunité au bruit par rapport au fil de cuivre. De plus, l’interaction quasi absente entre les différents signaux se propageant dans la même fibre rend possible l’utilisation d’un même chemin pour transmettre plusieurs canaux ayant chacun une couleur différente, ce qui permet de multiplier la bande passante transmise dans une seule fibre optique par le nombre de canaux créés. Cette technique est appelée le multiplexage en longueur d’onde (WDM : Wavelength Division Multiplexing), et est largement répandue dans les réseaux actuels. Pour tirer profit de ce potentiel apporté par la fibre optique, les lasers à semiconducteurs sont les composants les plus appropriés.
Le blocage de modes dans un laser est un procédé permettant de générer un train d’impulsions à un taux de répétition inversement proportionnel à la longueur de sa cavité optique. Cette dernière est un des éléments de base composant un laser. Un laser à cavité courte permettra alors d’obtenir des impulsions à un taux de répétition élevé. Celui-ci peut atteindre plusieurs gigahertz, voire même quelques centaines de gigahertz [Merghem2009] dans le cas des lasers à semiconducteurs compte tenu de leur petite taille. De tels lasers peuvent être utilisés pour les télécommunications à très haut débit, l’échantillonnage de signaux haute fréquence, la distribution optique d’horloge dans les microprocesseurs. En effet, à l’heure actuelle la microélectronique atteignant les limites théoriques de rapidité, une des solutions serait d’intégrer des lasers directement au sein des microprocesseurs, et de remplacer les bus de transmission par des guides optiques de la même façon que les fibres optiques remplacent les fils électriques au sein des réseaux de télécommunication [Keeler2003].
Le blocage de modes
Généralités sur le laser
Le terme « LASER » est un acronyme d’origine anglo-saxonne pour « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » qui signifie « amplification de lumière par émission de radiation stimulée ». Un laser comporte un milieu amplificateur inséré dans un résonateur optique tel qu’une cavité Fabry Perot. Un système d’excitation ou de « pompage » du milieu permet de créer les conditions de l’amplification du rayonnement électromagnétique.
Fonctionnement d’un laser
Le fonctionnement d’un laser repose sur la propriété d’émission stimulée des matériaux, introduite par A. Einstein en 1917 [Einstein1917]. L’émission stimulée à l’échelle d’un atome, décrit le phénomène de désexcitation électronique provoquée par une radiation électromagnétique incidente en donnant lieu à une émission de radiation sous la forme d’une particule élémentaire. La particule élémentaire, le photon, émise par stimulation, possède les mêmes caractéristiques que le photon stimulateur. Ces caractéristiques sont la fréquence optique, la phase, la polarisation et la direction de propagation. Ainsi le photon incident s’étant « enrichi » d’un photon identique, il s’agit exactement d’un processus d’amplification. La fréquence optique est liée à l’énergie du photon par la relation E=hν, où E est l’énergie photonique, h la constante de Planck et ν la fréquence optique. Cette dernière est liée à la longueur d’onde λ par la relation ν=c/λ, où c est la vitesse de la lumière dans le vide.
L’émission stimulée impliquant la désexcitation d’un atome nécessite donc que celui-ci soit d’abord excité. Un atome est dit « excité » lorsqu’un électron de son cortège électronique se situe sur un niveau d’énergie supérieur à son niveau fondamental. Au sein d’un matériau massif, l’émission stimulée est amplifiée lorsque l’inversion de population est réalisée. Celleci consiste à rendre au sein de ce matériau, par exemple la population du premier niveau d’énergie plus nombreuse que celle du niveau fondamental. L’inversion de population est plus ou moins facile à obtenir en fonction du matériau considéré et diverses méthodes d’excitation existent. Dans certains cas, elle est obtenue en « pompant » le matériau donné avec une radiation d’énergie supérieure à celle de l’émission stimulée et adaptée à l’excitation sur un troisième niveau d’énergie. Dans le cas des semiconducteurs, ceci est possible en injectant des porteurs provenant d’une source électrique externe directement dans la structure adéquate.
Modes longitudinaux d’un laser
Les modes longitudinaux sont des composantes de la réponse spectrale du laser. Celle-ci est déterminée d’une part, par le matériau à gain utilisé et d’autre part, par la réponse spectrale de la cavité optique. Le matériau à gain choisi va déterminer le spectre de l’émission optique. La réponse spectrale d’une cavité optique peut être calculée en utilisant une cavité Fabry Perot .
L’émission laser peut prendre place en principe, aux maxima de la réponse spectrale de la cavité optique. Ces pics d’émission constituent les modes longitudinaux du laser. Lors de l’émission laser, compte tenu des propriétés de l’émission stimulée, l’énergie se concentre au maximum du spectre d’émission et devrait théoriquement le faire tendre vers un seul mode longitudinal [Saleh1991]. Dans la plupart des lasers cependant, le nombre de modes longitudinaux est supérieur à 1. L’explication réside dans l’élargissement inhomogène au sein des matériaux à gain concernés. Le spectre de gain se présente sous forme d’une distribution qui peut avoir une forme gaussienne dont la largeur provient de plusieurs contributions indépendantes. Ces émissions proviennent des différents types d’états électroniques, ou familles d’états, distincts au sein du même matériau. Le gain maximal des différents constituants étant généralement faible, lors de l’émission laser la concentration de l’énergie totale vers un seul pic spectral est impossible. Ainsi, par effet de saturation de chaque constituant, il se produit l’émission laser simultanée sur plusieurs modes longitudinaux alors que le régime permanent est effectivement établi. Cette forme de saturation ponctuelle dans le spectre est appelée le « spectral hole burning ».
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Table des matières
Remerciements
Table des matières
Glossaire des abréviations
Introduction
Les lasers et leurs applications
Contexte et objectif de la thèse
Chapitre 1 Lasers à blocage de modes
1.1 Le blocage de modes
1.1.1 Généralités sur le laser
1.1.2 Principe du blocage de modes
1.1.3 Techniques de blocage de modes
1.2 Le régime impulsionnel par déclenchement (Q switch)
1.3 Blocage de modes dans les lasers à semiconducteurs
1.3.1 Conception du laser
1.3.2 Historique et état de l’art
1.4 Bruit dans les lasers à semiconducteurs à blocage de modes
1.4.1 Origine physique
1.4.2 Conséquences du bruit sur les télécommunications optiques
1.5 Conclusion
Chapitre 2 Etude des structures à fils et boîtes quantiques pour les lasers
2.1 La réduction de la dimensionnalité dans les matériaux
2.2 Intérêt pour les composants optiques
2.2.1 Courant de seuil
2.2.2 Dépendance avec la température
2.2.3 Facteur de Henry
2.3 Réalisation des structures à fils et boîtes quantiques
2.3.1 Technique de croissance par épitaxie
2.3.2 Caractérisations structurales
2.4 Optimisation de la croissance des structures
2.4.1 Orientation du substrat
2.4.2 Influence du flux d’arsenic
2.4.3 Technique du « double cap »
2.5 Lasers multimodes pour la caractérisation des structures
2.5.1 Caractérisation électrique et électroluminescence
2.5.2 Résultats et contexte international
2.6 Conclusion
Chapitre 3 Réalisation des lasers monomodes continus et à blocage de modes
3.1 Lasers monomodes à émission continue
3.1.1 Du laser multimode au laser monomode
3.1.2 Technologie de réalisation des lasers monomodes à l’INSA de Rennes
3.2 Caractérisation des lasers monomodes réalisées à l’INSA de Rennes
3.2.1 Caractérisation électrique
3.2.2 Electroluminescence
3.2.3 Caractérisation du mode optique
3.3 Technologie de réalisation des lasers multisections à DTU Fotonik
3.3.1 Définition des motifs et gravure
3.3.2 Planarisation de la surface
3.3.3 Photolithographie « lift-off » pour métallisation côté P
3.4 Conclusion
Chapitre 4 Caractérisation des lasers à blocage de modes
4.1 Banc expérimental
4.2 Forme et longueur d’onde instantanée des impulsions par autocorrélation et FROG
4.3 Techniques de mesure du bruit temporel
4.3.1 Mesure de bruit temporel à l’oscilloscope à échantillonnage
4.3.2 Mesure de bruit temporel par corrélation croisée
4.3.3 Mesure de bruit temporel à l’analyseur de spectre RF
4.4 Caractérisation des lasers à boîtes quantiques
4.5 Caractérisation d’un laser à fils quantiques de longueur 4 mm
4.5.1 Détermination du régime de fonctionnement
4.5.2 Mesures de bruit
4.6 Caractérisation d’un laser à fils quantiques de longueur 1 mm
4.7 Mesures de gain et de pertes dans les structures
4.7.1 Méthode de mesure
4.7.2 Mesures dans les amplificateurs à boîtes quantiques
4.7.3 Mesures dans les amplificateurs à fils quantiques
4.8 Etude avec le modèle étendu de Lau
4.8.1 Modèle de Lau
4.8.2 Modèle étendu de Lau
4.8.3 Application du modèle
4.9 Conclusion
Conclusion générale
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