Ce travail de thèse porte sur la modélisation, la fabrication et la caractérisation de Lasers à Cavité Verticale Emettant par la Surface (VCSEL) de grandes dimensions pour la manipulation de solitons de cavité, pour lesquels ces lasers permettraient une manipulation électrique plus souple de ces ondes stationnaires. Pour cela, il est nécessaire de disposer de structures à large zone d'émission uniforme (~100µm). Or, l'injection par électrode annulaire dans les VCSEL émettant par la surface entraîne une inhomogénéité rédhibitoire. Cette étude vise donc à proposer et évaluer des solutions technologiques innovantes pour atteindre une uniformité optimale dans ces dispositifs. Après une introduction dressant un état de l'art des solutions rapportées dans la littérature, nous présentons les travaux que nous avons menés sur la modélisation électrique des lasers pour évaluer les approches génériques de complexité croissante suivantes : l'ajout d'une couche d'étalement du courant en surface (électrode transparente en ITO) ; l'association de cette dernière à une barrière de potentiel (diode Zener) et la discrétisation de l'injection par création de zones localisées de conduction. L'optimisation des électrodes en ITO déposées sur GaAs, l'évaluation de l'apport d'une diode Zener ainsi que la mesure du contraste d'injection obtenu par gravure localisée en surface du composant sont ensuite détaillées. Suite à cette mise au point technologique, l'insertion des solutions que nous avons finalement retenues (gravures localisées et ITO) pour la réalisation de VCSEL est ensuite décrite. Enfin, les caractérisations électro-optiques des composants réalisés sont présentées; elles ont déjà permis d'obtenir des dispositifs de forme allongée émettant 50mW en continu à l'ambiante. Ces premiers résultats prometteurs ont cependant mis en évidence la nécessité d'améliorer encore les propriétés de l'interface ITO/GaAs. Ces solutions pourront alors être mises à profit pour l'application visée mai s également pour la génération de puissance ou encore la réalisation de VCSEL à cavité externe (VECSEL).

Le moyen infrarouge (MIR), c'est-à-dire la gamme 2-5 µm du spectre électromagnétique, présente à la fois des zones de transparence de l'atmosphère et des raies d'absorption très intenses des gaz polluants. Le MIR est donc idéal pour développer des applications telles que l'analyse des gaz polluants, les applications médicales ou de sécurité défense. Le but de la thèse est de développer une méthode de confinement latéral, et un miroir à base d'un réseau de diffraction sub-longueur d'onde à fort contraste d'indice, afin de les intégrer dans un laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) à base d'antimoniure, pour une émission dans le MIR. Le travail se décompose en trois parties : La première partie concerne l'oxydation thermique humide latérale des couches d'AlAs et d'AlAsSb. La deuxième partie concerne les miroirs à réseau sub-longueur d'onde, conçus et réalisés à base de réseaux gravés dans une couche de GaAs, et intégrant une sous couche bas indice d'AlOx, obtenue à partir d'AlAs. La dernière partie synthétise ces deux précédentes études afin de les intégrer dans un VCSEL émettant aux alentours de 2.3µm.

L’objectif de cette thèse est de développer un nouveau matériau photopolymère pouvant être microstructuré dans la gamme de longueur d'onde du proche infrarouge (NIR). Le but final de ce travail est de proposer des solutions innovantes pour l'intégration de micro-optique sur les VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), sources lumineuses miniaturisées utilisées dans de nombreuses applications en optique, photonique, capteurs ou biologie. Le verrou technologique principal a consisté à développer et étudier le photopolymère adéquat pour la microfabrication déclenchée par le VCSEL. La difficulté principale tient à la longueur d'onde de photopolymérisation qui est fixé par le VCSEL et qui a obligé à développer un système moléculaire nouveau pour une polymérisation radicalaire à 780 et 850 nm. Une part importante du travail a consisté à étudier les mécanismes photophysiques et photochimiques des matériaux permettant de proposer des systèmes efficaces, sur le plan de la photophysique, de la photochimie de photopolymérisation et également une approche originale a été développée pour appréhender de façon quantitative les phénomènes de diffusion du colorant dans la matrice polymère. Sur la base des systèmes moléculaires proposés, la démonstration de l'intégration de microlentilles sur VCSEL par ce procédé innovant a pu être démontré. Les VCSELs lentillés ont été caractérisés et des propriétés très intéressantes pour la focalisation ont été démontrées. / The objective of this thesis is to develop a new photopolymer material that can be microstructured in the wavelength range of near-infrared (NIR). The ultimate aim of this work is to propose innovative solutions for micro-optical integration on VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). These miniaturized light sources are used in many applications in optics, photonics, sensors or biology. The main technological challenge was to develop and explore a new photopolymer compatible with a microfabrication initiated by the VCSEL. The main difficulty was to develop a new molecular system for radical polymerization at 780 and 850 nm, which is the wavelength emitted by the VCSEL. An important part of the work consisted to study the photophysical and photochemical mechanisms of this photopolymer in order to provide efficient systems in terms of photophysics, photochemistry of the photopolymerization. An original approach was developed to quantitatively apprehend the phenomena dye diffusion in the polymer matrix. Based on the proposed molecular systems, demonstrating the integration of microlenses on VCSELs by this innovative process could be shown. The lensed VCSELs have been characterized and very interesting properties for focusing have been demonstrated.

Les Structures localisées (SLs) apparaissent dans les milieux dissipatifs nonlinéaires ayant un grand rapport d'aspect et où plusieurs solutions coexistent pour la même gamme de paramètres. Elles ont des longueurs de corrélations bien plus courtes que la taille du système ce qui en fait des objets individuellement adressables. Les SLs ont été largement étudiées dans les résonateurs optiques pour leur potentiel dans le traitement tout-optique d'information. Nous focalisons nos recherches sur les structures localisées temporelles obtenues dans un laser à blocage de modes passif. Il s'agit, plus spécifiquement, d'un laser à Cavite Verticale Émettant par la Surface (VCSEL) monté dans une cavité externe délimitée par un Miroir Semiconducteur à Absorption Saturable (SESAM). Nous montrons que les pulses émis par ce système peuvent être individuellement allumés et éteints par le biais d'impulsions électriques dans le courant de pompage. Nous étudions la possibilité de déplacer ces pulses l'un par rapport à l'autre et/ou de reconfigurer leur disposition dans la cavité à l'aide d'une modulation du paramètre de pompage. Ceci nous a permis de découvrir un nouveau paradigme pour la dynamique pour les SLs, jusqu'ici étudiées seulement dans les systèmes à symétrie de parité (systèmes spatiaux et résonateurs à Fibre de (type Kerr). En effet, dans notre système, le temps de réponse fini du milieu semiconducteur introduit la causalité dans la cavité, brisant ainsi la symétrie de parité du système. Ceci a des conséquences très importantes sur la vitesse de propagation des SLs, sur leurs formes et sur leurs interactions. Dans la partie finale de ma thèse, inspiré par le résultat obtenu dans ce système, je m'intéresser à l'implémentationdes SLs spatio-temporelle, aussi appelées Balles de Lumière (BLs). En effet, une version similaire de ce système a servi pour implémenter des SLs dans la section transverse du résonateur, ce qui en fait un bon candidat pour générer des BLs. Nous étudions donc les modifications à apporter pour atteindre ces structures. Les indications obtenues ont suggéré de remplacer le VCSEL par un dispositif similaire mais incapable de laser sans un miroir externe. Ce dispositif, appelé demi-VCSEL ou VECSEL et son SESAM compatible ont été fabriqués par l'Institut d'Electronique et des Systèmes de Montpellier. L'optimisation des caractéristiques de ces dispositifs permet d'atteindre le régime de localisation temporelle, ce qui est un résultat prometteur vers les Balles de Lumière. / Localized Structures (LS) appear in non-linear dissipative mediums with a large aspect ratio and where several solutions coexist for the same range of parameters. They have a correlation length much shorter than the size of the system which makes them individually addressable objects. LS have been widely studied in optical resonators for their potential in all-optic informations processing. We focus our study on Temporal Localized Structures in a Passive Mode-Locked Laser. More specifically, we study a Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser (VCSEL) coupled in an external cavity with a Semiconductor Saturable Absorber Mirror (SESAM). We show that pulses emitted by this system can be individually turned on and off using electrical pulses in the bias current. We study the possibility to move those pulses and/or to reconfigure their positions in the cavity thanks to a modulation of the bias current. We were able to discover a new paradigm for the dynamics of LS, studied until now only in system with parity symmetry (spatial system et Kerr fiber resonator). Indeed, in our system, the finite response time of the semiconductor medium brings causality in the cavity, and so breaks the parity symmetry of the system. This fact has important consequences on the LS drifting speed, on their shapes and their interactions. In the last part of my thesis, inspired by the results we obtain in this system, we focus on the implementation of spatio-temporal LS, also called Light Bullet (LB). Indeed, a similar system was used to implement LS in the transverse section of the resonator, so it can be a good candidate to generate LB. So we study the modification needed to obtain those structures. The results suggested to replace the VCESL by a similar device but that can't lase without external mirror. This device, called half-VCSEL or VECSEL, and its compatible SESAM, were design the Institut d'Electronique et des Systèmes of Montpellier. The optimization of the characteristic of those devices allows to get a regime of temporal localization, which is a promising towards the Light Bullets.

Ce travail de thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de lasers à cavité verticale émettant par la surface à diaphragme d'oxyde enterré (VCSELs AlOx) pour les communications optiques et les microsystèmes. Ces composants deviennent de sérieux concurrents aux diodes laser classiques dans les liens de communications à courte distance. De plus, la réalisation de microsystèmes optiques intelligents nécessite de créer des composants photoniques qui soient multifonctions. Ainsi, nos travaux concernent-ils plus particulièrement l'intégration de la photodétection dans une structure VCSEL. Après un rappel sur les fonctions optiques dans les VCSELs, nous discutons des différentes possibilités d'intégration de la détection en cavité verticale. Nous nous penchons ensuite sur la réalisation de sources monomodes émettant à 850~nm pour ces applications. La conception de la structure ainsi que le procédé de fabrication détaillé. Nous insistons sur l'étude des paramètres expérimentaux influençant la qualité de l'oxydation thermique humide, étape technologique cruciale servant à créer le diaphragme d'oxyde enterré. Nous exposons les choix technologiques effectués puis nous présentons les bancs de mesures utilisés. Les caractérisations optiques et électriques permettent de mettre en évidence l'amélioration des performances de ces composants et d'identifier les limitations actuelles. Nous exposons le principe des détecteurs en cavité résonante puis déclinons chaque géométrie verticale explorée : photodétecteur simple, VCSEL standard et BiVCSEL. Le comportement spectral mesuré sur chacun de ces composants est rapporté et discuté. La détection latérale entre VCSELs voisins est ensuite étudiée du point de vue théorique et expérimental. Le principe physique mis en jeu dans cette étude originale est le guidage optique de l'émission spontanée entre VCSELs voisins partageant la même cavité. Les résultats de nos mesures électriques et optiques sont exposés. La principale applic ation de ce nouveau système de détection concerne l'asservissement de la puissance émise par le VCSEL. Enfin, nous concluons sur les apports des diverses géométries adoptées et ouvrons sur les perspectives.

Ce travail de thèse porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation d'un composant intégrant un laser à cavité verticale (VCSEL) et un détecteur. En détectant l'émission latérale, qui peut être corrélée à l'émission stimulée du VCSEL, il est possible d'asservir la puissance moyenne émise (monitoring). Afin de réaliser ces composants, plusieurs étapes technologiques de fabrication d'un VCSEL ont nécessité un développement et une optimisation spécifiques. Ainsi nous présentons les travaux réalisés dans le domaine de la gravure sèche assistée par plasma, de la métallisation, de l'oxydation thermique, de la passivation et de l'implantation ionique. Ce travail a permis d'obtenir un processus de fabrication plus fiable. Le principe de base a été mis en évidence à l'aide de deux composants adjacents, l'un émetteur, et l'autre détecteur. Il consiste à observer l'évolution du photocourant détecté latéralement et de constater que même s'il n'évolue pas comme la puissance émise, présente des points singuliers correspondant respectivement au seuil et à l'extinction de l'émission laser. De plus, cette évolution du courant détecté latéralement est monotone croissante, ce qui permet d'y faire correspondre une seule valeur de la puissance émise. Par la suite, cette détection intégrée a été améliorée par l'ajout d'un détecteur à contact Schottky à proximité du VCSEL émetteur. Ceci se traduit par l'obtention d'un dispositif compact, sensible, et entièrement compatible avec le procédé de fabrication et les couches épitaxiales standard. Cette solution générique présente l'avantage d'être transposable à d'autres longueurs d'onde (1,3 et 1,55µm par exemple). La caractérisation électrique de ce composant en régime continu a été réalisée, et a permis de confirmer l'amélioration des performances en détection. Est également démontré la robustesse de cette solution à des températures de fonctionnement élevées, jusqu'à 100°C. En régime impulsionnel, les temps de réponse mesurés autour de quinze nanosecondes démontrent la compatibilité de ce système avec des modulations de l'ordre du gigabit par seconde. Dans ce cadre, nous avons également étudié les caractéristiques hyperfréquences du composant. Outre les systèmes de transmissions rapides, on peut envisager d'exploiter cette détection intégrée pour l'instrumentation, cela pour des signaux relativement rapides (sub-microseconde), par exemple dans une configuration de réinjection optique.

Pour répondre aux besoins des domaines d'applications, de plus en plus ambitieux, et gagner de nouveaux domaines, les VCSELs continuent à évoluer. On note une tendance des recherches récentes à la miniaturisation des sources VCSELs et à la complexification de leurs architectures pour augmenter leur capacité d'intégration et incorporer de nouvelles fonctionnalités. Cela nécessite la maîtrise et l'adaptation des différentes étapes technologiques dont l'ingénierie du confinement électrique et optique exploitant la technologie d'oxydation sélective humide d'alliages AlGaAs, appelée AlOx. Ce travail de thèse porte, d'une part, sur l'étude des contraintes mécaniques engendrées par le procédé AlOx, qui ont un impact important sur le fonctionnement des VCSELs, leur fiabilité et leur durée de vie. D'autre part, je présente une nouvelle approche planaire de la technologie AlOx basée sur une oxydation d'une couche AlGaAs enterrée à travers des trous nanométriques gravés dans une couche GaAs fine en surface. Cette étape est suivie d'une reprise d'épitaxie par jets moléculaires (EJM) pour continuer l'empilement de la structure du composant. La nouvelle méthode offre une meilleure capacité d'intégration, une meilleure dissipation de chaleur et ouvre vers l'ingénierie libre du confinement opto-électrique.

Les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) à base d'antimoniures dans le moyen infrarouge permettent le développement et l'amélioration d'applications telles que la détection de gaz polluants. De nouveaux miroirs à réseaux à haut contraste d'indice (HCG) ont montré un pouvoir réflecteur comparable voire supérieur aux miroirs de Bragg conventionnels avec un gain d'épaisseur d'un facteur 10 tout en offrant un effet polarisant. L'insertion de ce nouveau type de miroir au sein d'une structure VCSEL présente ainsi des avantages prometteurs pour améliorer les propriétés de ces composants pour une émission dans le moyen infrarouge. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse concerne la conception de miroirs HCG qui répondent aux exigences d'une intégration VCSEL en prenant en compte les contraintes technologiques et la tolérance aux erreurs de fabrication. Pour cela, dans un premier temps, un algorithme d'optimisation global a été combiné à une méthode de simulation numérique de réseaux (RCWA) afin d'automatiser la conception de miroirs. L'étude précise des tolérances des paramètres géométriques du réseau a été menée pour pouvoir ensuite développer un algorithme d'optimisation robuste. Cet algorithme permet ainsi d'obtenir non seulement un miroir répondant aux exigences de réflectivités définies par l'utilisateur mais également de conserver ces performances pour de larges gammes de tolérances. Enfin, dans une dernière partie, l'intégration du miroir à réseau dans un VCSEL a été simulée par une méthode aux différences finies (FDTD) pour étudier le fonctionnement d'un composant complet.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet français FUI8-ORIGIN qui vise à développer les performances des réseaux domestiques en apportant des solutions sans multi-Gigabits faiblement radiatives, économes et pérennes. La solution ORIGIN est caractérisée par l'action complémentaire de deux technologies: les communications sans fil 60 GHz, avec notamment la création récente en Janvier 2013 de la nouvelle norme WiFi 60GHz, et la mise en place d'une infrastructure Radio-sur-Fibre (RoF) afin d'étendre la propagation de ses signaux radio fortement atténués par l'atmosphère et les murs, au sein de l'ensemble de la maison. Cette thèse porte sur le développement des composants et modules optoélectroniques bas couts, permettant d'assurer ces contraintes. Le travail implique de couvrir de la puce semi-conducteur au modules et jusqu'au système intégré dans le démonstrateur. Les puces sélectionnées sont caractérisées de manière précise en développant des bancs de mesures adaptées aux applications analogiques RoF. Les performances RoF ont été évaluées et comparées en termes de réponse en fréquence, de bruit et de non-linéarités. Un dimensionnement complet de l'infrastructure Radio-sur-Fibre pour le démonstrateur est ensuite mené, intégrant et dimensionnant le bilan de liaison global à partir modules et cartes réalisés et développés par les partenaires du projet. Le module transmetteur Radio-sur-Fibre (TRoF) est ainsi conçu, assemblé et testé. Les performances du module ont été mesurées et simulées à chaque étape de la procédure d'intégration. Le démonstrateur final basé sur l'architecture multipoint-à-multipoint a été réalisée à l'aide d'un nœud central optoélectronique pour la répartition du signal et d'une Green Box permettant le contrôle de l'allumage des différentes pièces, et ainsi la rationalisation du rayonnement et de la consommation du système. Une transmission bidirectionnelle en temps réel entre deux dispositifs de Wireless HD commerciaux à ~3 Gbit/s a été démontrée. Dans une dernière section de cette thèse, des directions pour améliorer les lasers à cavité émettant par la surface (VCSEL) et les phototransistors SiGe sont explorées. Des VCSEL analogiques avec une bande passante de plus de 25 GHz sont développés avec la société Philips ULM Photonics et mesurés. Notre action s'est concentrée sur les dimensions latérales de la structure, en bénéficiant des améliorations des couches verticale de la part de ULM Photonics. Outre les dimensions du VCSEL propre, ce travail a aussi visé l'amélioration des lignes d'accès pour permettre à la fois une meilleure dissipation thermique et une meilleure adaptation réactive du VCSEL à son électronique amont. Une nouvelle technologie de couplage optique collective et passive est enfin proposée. Originale et brevetée à l'occasion de ce travail, elle permet le couplage optique vertical à la fibre optique multimode et monomode de dispositifs optoélectroniques de petites tailles, inférieurs à 10µm, ainsi permettant simultanément de réduire les pertes de couplage, d'augmenter la fréquence de fonctionnement des composants couplés en réduisant leur dimensions, et de réduire le coût et le temps de réalisation du couplage / Wireless communication technologies have become one of the most popular and indispensable part of people's lives in the recent years, offering mobility and services never before available from mobile communication until local network communication. This work is based on the frame of the French ORIGIN project and intended to explore the Home Area Network using the most recent Wi-Fi standard at 60 GHz with the goal to present a solution for the upcoming days where MultiGbit/s wireless communication will be required. The ORIGIN solution is characterized by the complementary action of two technologies: 60 GHz Wireless communication and Radio-over-Fiber (RoF) infrastructure. The project pretends to propose a real prototype based on RoF transducers and a Multipoint-to-Multipoint architecture to cover the entire house. This thesis covers from the single optoelectronic chip devices until the system implementation and the final demonstrator. The light source and the photodetector choice were very important since it dictated the RoF transducer architecture. Our choice was on 850 nm multimode devices (GaAs VCSEL and SiGe HPT) which allow relaxed constraints on the optical packaging and, therefore, low cost solutions. In terms of performances those devices are limited in a few tens of Gigahertz of bandwidth which was the reason for the intermediate frequency (IF) architecture. This thesis work addressed the electrical and optical interconnection of the optoelectronic chip devices. It explored the integration of hybrid amplification stages and passive networks within optoelectronic receivers and emitters. The optical packaging issues were addressed through a conventional coupling technique using a ball lens first. The die device performances were evaluated and compared with a packaged module in terms of frequency response, noise and nonlinearities. Since performances are usually measured as link performances we proposed a definition of the Opto-microwave figures of merit, such as Opto-microwave gain, noise, nonlinearities and EVM. They are presented and integrated into behavioral models, allowing both the individual performances extraction and system design. The integration of the RoF module in the system is the final part of this thesis. The performances were measured and simulated at each integration step. The final demonstrator based on the multipoint-to-multipoint architecture was implemented using an optoelectronic central node for the signal repartition and the Green Box for signal controlling. Real-time bidirectional transmission between two commercial WirelessHD devices at ~3 Gbit/s was validated. In a final section directions to improve VCSEL and SiGe HPT are explored. 25 GHz analogue VCSELs are explored with a focus on their dimensions, improved access and the potential of a suited matching approach. A novel collective and passive optical coupling technology is also proposed for both VCSEL and top illuminated detectors that couple smaller and faster devices

Les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) à base d'antimoniures dans le moyen infrarouge permettent le développement et l'amélioration d'applications telles que la détection de gaz polluants. De nouveaux miroirs à réseaux à haut contraste d'indice (HCG) ont montré un pouvoir réflecteur comparable voire supérieur aux miroirs de Bragg conventionnels avec un gain d'épaisseur d'un facteur 10 tout en offrant un effet polarisant. L'insertion de ce nouveau type de miroir au sein d'une structure VCSEL présente ainsi des avantages prometteurs pour améliorer les propriétés de ces composants pour une émission dans le moyen infrarouge. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse concerne la conception de miroirs HCG qui répondent aux exigences d'une intégration VCSEL en prenant en compte les contraintes technologiques et la tolérance aux erreurs de fabrication. Pour cela, dans un premier temps, un algorithme d'optimisation global a été combiné à une méthode de simulation numérique de réseaux (RCWA) afin d'automatiser la conception de miroirs. L'étude précise des tolérances des paramètres géométriques du réseau a été menée pour pouvoir ensuite développer un algorithme d'optimisation robuste. Cet algorithme permet ainsi d'obtenir non seulement un miroir répondant aux exigences de réflectivités définies par l'utilisateur mais également de conserver ces performances pour de larges gammes de tolérances. Enfin, dans une dernière partie, l'intégration du miroir à réseau dans un VCSEL a été simulée par une méthode aux différences finies (FDTD) pour étudier le fonctionnement d'un composant complet. / In the mid infrared wavelength range, Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) based on the antimony alloy is a promising solution to develop and enhance numerous applications such as polluting gas sensing. A new type of mirror based on High Contrast Grating (HCG) structures has shown similar reflectivities than the Bragg mirrors which are usually used in VCSELs. However, with a polarization selectivity and a reduction in thickness of a factor of 10, HCG mirrors can advantageously replace Bragg reflectors to enhance the properties of mid infrared VCSEL structures. The work presented in this manuscript is devoted to the design of high contrast grating mirrors for a VCSEL application and takes precisely into account the technological constraints and tolerance of fabrication. In a first part, a global optimization algorithm has been combined to a numerical analysis of grating structures (RCWA) to automatically design HCG mirrors for a VCSEL application. In a second part of this work, the tolerances of the grating dimensions have been precisely studied which has lead to the development of a robust optimization algorithm. This algorithm allows to design high contrast gratings which exhibit not only a high efficiency but also large tolerance values required by the manufacturing process. Finally, in a last part, a VCSEL structure using a high contrast grating as top mirror has been designed and simulated by FDTD to validate the use of HCG presented previously in a VCSEL structure.