Ce travail de thèse porte sur l'étude et la réalisation de Lasers à Emission par la Surface à Cavité Verticale pompés électriquement (EP-VCSELs) à base d'antimoniures émettant dans le moyen-infrarouge au-delà de 2 µm. Ces VCSELs proposent des caractéristiques intéressantes pour la détection de gaz tel qu'une émission monomode et une large accordabilité sans saut de mode. L'objectif de ce travail était de développer de tels composants. La première partie de ce mémoire présente les propriétés des couches qui seront empilés pour former la structure VCSEL. La seconde partie traite des différentes conditions pour obtenir une source laser monomode. La troisième partie présente les procédés de fabrication qui ont étés mis en place. Notamment de la sous-gravure sélective de la Jonction Tunnel (JT), qui est une technique de confinement originale dans le système GaSb. Celle-ci permet de réduire le diamètre de la JT jusqu'à 6 µm, ce qui est la condition pour obtenir une émission monomode.La dernière partie de ce manuscrit présente les caractérisations menées sur les structures monolithiques à JT sous-gravées. La sous-gravure sélective nous a ainsi permis d'obtenir le premier EP-VCSEL monolithique monomode. Ce composant fonctionne au-delà de la température ambiante et en régime continu. Avec des courants de seuils aussi bas que 1,9 mA et un fonctionnement jusqu'à 70°C. Le développement des structures monolithique à zone active (ZA) en cascade a également permis d'augmenter les puissances optiques en sortie de ces composants. Celles-ci sont passées de 300 µW @ 20°C à 950 µW pour la première structure citée classique et la structure à ZA en cascades respectivement. / This thesis deals with study and conception of GaSb-based electrically pumped Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (EP-VCSELs) emitting in the mid-infrared range above 2 µm. This VCSELs exhibits suitable characteristics for gas analysis like single-mode emission and a large current tunability without mode-hopping. The objective of this work was to develop such devices. The first part of this work is about properties of the epitaxial stack layers used to form the VCSEL structure. The second parts deal with characteristics and the confinement system to design a single mode cavity. The third part presents manufacturing process which has been set up, like Tunnel Junction (TJ) under-etching, which is an innovate approach on the GaSb system. It allows reducing TJ diameter down to 6 µm, which is a necessary point to demonstrate single-mode operation.The final part of this manuscript presents the characterisations purchased on the under-etched TJ monolithic-VCSELs. Selective under-etching of the TJ allowed the first demonstration of the first single-mode monolithic EP-VCSEL. This device emits around 2.3 µm in continuous regime above room temperature. This device exhibits threshold currents as low as 1.9 mA and operate up to 70°C. The development of bipolar cascaded VCSELs has also allowed increasing the optical power on large diameter multimode, with a maximum output power of 300 µW and 950 µW@20°C for the classic and the bipolar cascaded VCSEL respectively.

Les spin-lasers sont des dispositifs semi-conducteurs dans lesquels les processus de recombinaison radiative impliquant des porteurs polarisés en spin résultent en une émission de photons polarisés circulairement. Néanmoins, des anisotropies linéaires supplémentaires dans la cavité conduisent généralement à une émission laser préférentiellement polarisée linéairement et à un éventuel couplage entre modes. Dans cette thèse, une méthode générale pour la modélisation de lasers à semi-conducteurs tels que laser à surface verticale (externe) à cavité et contenant des puits quantiques multiples et impliquant des anisotropies pouvant révéler (i) une biréfringence linéaire locale due au champ de déformation à la surface ou (ii) une biréfringence dans les puits quantiques due au couplage d'amplitude de phase provenant de la réduction du D2d biaxial au groupe de symétrie C2v aux interfaces semiconductrices ternaires III-V. Une nouvelle méthode récursive à matrice S de diffusion est mise en œuvre en utilisant un tenseur de gain dérivé analytiquement des équations de Maxwell-Bloch. Il permet de modéliser les propriétés de l'émission (seuil, polarisation, dédoublement de mode) du laser avec plusieurs zones actives à puits quantiques en recherchant les modes propres résonnants de la cavité. La méthode est démontrée sur des structures laser réelles et est utilisée pour l'extraction de tenseurs de permittivité optique de déformation de surface et de puits quantiques en accord avec des expériences. La méthode est généralisée pour trouver les modes propres au laser dans le cas le plus général des pompes polarisées circulaires (déséquilibre entre les canaux de spin-up et de spin-down) et le dichroïsme à gain linéaire. De plus, la mesure de la matrice de Mueller 4x4 complète pour des angles d'incidence multiples et des angles azimutaux dans le plan a été utilisée pour l'extraction de tenseurs de permittivité optique de couches contraintes superficielles et de puits quantiques. Une telle dépendance spectrale des éléments tensoriels optiques est cruciale pour la modélisation des modes propres du laser de spin, les conditions de résonance, et aussi pour la compréhension des sources d'anisotropies de structure. / Spin-lasers are semiconductor devices in which the radiative recombination processes involving spin-polarized carriers result in an emission of circularly polarized photons. Nevertheless, additional linear in-plane anisotropies in the cavity generally lead in preferential linearly-polarized laser emission and to possible coupling between modes. In this thesis, a general method for the modeling of semiconductor laser such as vertical-(external)-cavity surface-emitting laser containing multiple quantum wells and involving anisotropies that may reveal i) a local linear birefringence due to the strain field at the surface or ii) a birefringence in quantum wells (QWs) due to phase amplitude coupling originating from the reduction of the biaxial D2d to the C2v symmetry group at the III-V ternary semiconductor interfaces. A novel scattering S-matrix recursive method is implemented using a gain tensor derived analytically from the Maxwell-Bloch equations. It enables to model the properties of the emission (threshold, polarization, mode splitting) from the laser with multiple quantum well active zones by searching for the resonant eigenmodes of the cavity. The method is demonstrated on real laser structures and is used for the extraction of optical permittivity tensors of surface strain and quantum wells in agreement with experiments. The method is generalized to find the laser eigenmodes in the most general case of circular polarized pumps (unbalance between the spin-up and spin-down channels) and linear gain dichroism. In addition, the measurement of full 4x4 Mueller matrix for multiple angles of incidence and in-plane azimuthal angles has been used for extraction of optical permittivity tensors of surface strained layers and quantum wells. Such spectral dependence of optical tensor elements are crucial for modeling of spin-laser eigenmodes, resonance conditions, and also for understanding of sources of structure anisotropies.

This paper presents a new technique for the monolithic heterogeneous integration of compound semiconductor devices with silicon integrated circuits, and establishes the theoretical foundation for a key element of the process, tailored magnetic attraction and retention. It is shown how a patterned thin film of hard magnetic material can be used to engineer the attraction between the film and nanopills covered with a soft magnetic material. With a suitable choice of pattern, it is anticipated that it will be possible to achieve complete filling of recesses in the surface of fully-processed integrated circuit wafers, preparatory to subsequent processing to fabricate the nanopills into heterostructure devices integrated monolithically with the pre-existing electronics. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Le laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL ou Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) comporte des avantages compétitifs par rapport aux lasers émettant par le côté. Notamment, l'émission par la surface permet la fabrication de matrices bidimensionnelles de VCSELs intéressants pour les réseaux d'interconnexion et le routage tout optique. Le VCSEL présente souvent deux modes polarisation linéaire orthogonaux avec des fréquences et des gains optiques presque identiques. Dès lors, de faibles perturbations telles que des modifications du courant d'injection ou de la température peuvent facilement induire des basculements de polarisation. Toutefois, en utilisant un schéma d'injection optique, il est possible de contrôler ces instabilités de polarisation.<br />Nous nous intéressons au contrôle du basculement de polarisation ainsi que la compétition des modes transverses d'un VCSEL soumis à injection optique de polarisation orthogonale. Nous montrons expérimentalement et théoriquement la dynamique de basculement de polarisation dans le plan des paramètres d'injection (puissance injectée et désaccord en fréquence entre le laser maître et le VCSEL) implique des dynamiques non linéaires telles le mélange d'ondes, les cycles limites ainsi qu'une route de doublement de période vers le chaos optique. L'analyse des bifurcations sous-jacentes nous a permet de dresser une cartographie de la dynamique de basculement de polarisation du VCSEL.<br />Dans notre thèse, nous étudions également la synchronisation du chaos de VCSELs dans un schéma de couplage unidirectionnel. Nous montrons que la compétition des modes de polarisation linéaire orthogonaux affecte la qualité de la synchronisation du chaos. Ces résultats sont intéressants dans le cadre du développement récent de liaisons de communication sécurisée par chaos optique.

This paper describes recent progress in a continuing program to develop and apply RM³ (recess mounting with monolithic metallization) technologies for heterogeneous integration. Particular emphasis is placed on the APB (aligned pillar bonding) and MASA (magnetically assisted statistical assembly) technologies. Next, ongoing research on applications of RM3 integration to produce optoelectronic integrated circuits (OEICs) for optical clock distribution, diffuse optical tomography, and smart pixel arrays are described. Finally, potential new applications of these technologies in intra- and interchip optical signal interconnects, in fluorescent dye detection and imaging for biomedical applications, and in III-V mini-IC integration on Si-CMOS for enhancing off-chip drive capabilities are outlined. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Depuis le premier concept proposé par K.Iga il y a 30 ans jusqu'aux recherches actuelles sur l'intégration photonique des VCSELs (pour Lasers à Cavité Verticale à Emission par la Surface), une forte activité de recherches a été déployée sur ces composants optoélectroniques emblématiques, du matériau au composant jusqu'au système, leur permettant d'acquérir leur position stratégique actuelle. C'est dans cette dynamique que s'est inscrit mon parcours scientifique. Les principales activités de recherche que j'ai menées depuis 1992 sur la technologie des VCSELs et leur intégration dans des systèmes photoniques sont décrites dans ce mémoire. Je rappelle tout d'abord brièvement les avantages des dispositifs III-V à cavité verticale pour l'optoélectronique et plus particulièrement les propriétés des VCSELs, composants au centre de mes travaux. Ce contexte général étant posé, je décris les contraintes imposées lors de l'élaboration de ces dispositifs à cavité verticale sur GaAs ainsi que la technique de contrôle optique en temps réel qui m'a permis de répondre à ce défi. Je détaille ensuite mes travaux sur la photo-détection en cavité verticale, qui ont porté sur la conception, la réalisation et la caractérisation de photo-détecteurs simples à cavité massive, de VCSELs à double fonction pour la détection d'un faisceau externe, ainsi que de VCSELs avec monitoring intégré exploitant la détection latérale de l'émission spontanée dans le plan de la cavité. La thématique du contrôle de l'injection électrique dans les VCSELs de grandes dimensions pour la manipulation de solitons de cavité ou la génération de puissance est également exposée, ainsi que les études menées sur l'intégration des VCSELs dans les microsystèmes qui m'ont conduite à mettre en place une nouvelle filière sur la micro-optique intégrée à base de polymères pour ces composants. Enfin, les prospectives de recherche qu'ouvrent l'ensemble de ces travaux sont présentées ainsi que le contexte dans lequel elles s'inscrivent.

Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais est Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance du bruit de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. Lorsque deux modes transverses polarisés linéairement et orthogonalement oscillent, nous étudions la structure spatiale transverse du bruit d'intensité. Nous développons un modèle quantique qui donne correctement l'allure du bruit d'intensité.<br /><br />Nous rapportons également dans cette thèse l'étude du bruit quantique dans les diodes laser. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à fort courants. Nous démontrons expérimentalement et théoriquement que cet excès de bruit provient des fluctuations du courant à l'intérieur de la diode laser.

Semiconductor lasers based on gallium arsenide and relatedmaterials are widely used in applications such as opticalcommunication systems, sensing, compact disc players, distancemeasurement, etc. The performance of these lasers can beimproved using a buried heterostructure offering lateralcarrier and optical confinement. In particular, if theconfinement (burying) layer is implemented by epitaxialregrowth of an appropriate aluminium-free semi-insulating (SI)material, passivation of etched surfaces, reduced tendency tooxidation, low capacitance and integration feasibility areadditional advantages. The major impediment in the fabrication of GaAs/AlGaAsburied-heterostructure lasers is the spontaneous oxidation ofaluminium on the etched walls of the structure. Al-oxide actsas a mask and makes the regrowth process extremely challenging.In this work, a HCl gas-basedin-situcleaning technique is employed successfully toremove Al-oxide prior to regrowth of SI-GaInP:Fe and SI-GaAs:Fearound Al-containing laser mesas by Hydride Vapour PhaseEpitaxy. Excellent regrowth interfaces, without voids, areobtained, even around AlAs layers. Consequences of usinginadequate cleaning treatments are also presented. Regrowthmorphology aspects are discussed in terms of different growthmechanisms. Time-resolved photoluminescence characterisation indicates auniform Fe trap distribution throughout the regrown GaInP:Fe.Scanning capacitance microscopy measurements demonstrate thesemi-insulating nature of the regrown GaInP:Fe layer. Thepresence of EL2 defects in regrown GaAs:Fe makes more difficultthe interpretation of the characterisation results in the nearvicinity of the laser mesa. GaAs/AlGaAs buried-heterostructure lasers, both in-planelasers and vertical-cavity surface-emitting lasers, withGaInP:Fe as burying layer are demonstrated for the first time.The lasers exhibit good performance demonstrating thatSI-GaInP:Fe is an appropriate material to be used for thispurpose and the suitability of our cleaning and regrowth methodfor the fabrication of this type of semiconductor lasers.Device characterisation indicates negligible leakage currentalong the etched mesa sidewalls confirming a smooth regrowthinterface. Nevertheless, experimental and simulation resultsreveal that a significant part of the injected current is lostas leakage through the burying material. This is attributed todouble carrier injection into the SI-GaInP:Fe layer.Simulations also predict that the function of GaInP:Fe ascurrent blocking layer should be markedly improved in the caseof GaAs-based longer wavelength lasers. <b>Keywords:</b>semiconductor lasers, in-plane lasers, VCSELs,GaAs, GaInP, semi-insulating materials, hydride vapour phaseepitaxy, regrowth, buried heterostructure, leakage current,simulation.

<p>Semiconductor lasers based on gallium arsenide and relatedmaterials are widely used in applications such as opticalcommunication systems, sensing, compact disc players, distancemeasurement, etc. The performance of these lasers can beimproved using a buried heterostructure offering lateralcarrier and optical confinement. In particular, if theconfinement (burying) layer is implemented by epitaxialregrowth of an appropriate aluminium-free semi-insulating (SI)material, passivation of etched surfaces, reduced tendency tooxidation, low capacitance and integration feasibility areadditional advantages.</p><p>The major impediment in the fabrication of GaAs/AlGaAsburied-heterostructure lasers is the spontaneous oxidation ofaluminium on the etched walls of the structure. Al-oxide actsas a mask and makes the regrowth process extremely challenging.In this work, a HCl gas-based<i>in-situ</i>cleaning technique is employed successfully toremove Al-oxide prior to regrowth of SI-GaInP:Fe and SI-GaAs:Fearound Al-containing laser mesas by Hydride Vapour PhaseEpitaxy. Excellent regrowth interfaces, without voids, areobtained, even around AlAs layers. Consequences of usinginadequate cleaning treatments are also presented. Regrowthmorphology aspects are discussed in terms of different growthmechanisms.</p><p>Time-resolved photoluminescence characterisation indicates auniform Fe trap distribution throughout the regrown GaInP:Fe.Scanning capacitance microscopy measurements demonstrate thesemi-insulating nature of the regrown GaInP:Fe layer. Thepresence of EL2 defects in regrown GaAs:Fe makes more difficultthe interpretation of the characterisation results in the nearvicinity of the laser mesa.</p><p>GaAs/AlGaAs buried-heterostructure lasers, both in-planelasers and vertical-cavity surface-emitting lasers, withGaInP:Fe as burying layer are demonstrated for the first time.The lasers exhibit good performance demonstrating thatSI-GaInP:Fe is an appropriate material to be used for thispurpose and the suitability of our cleaning and regrowth methodfor the fabrication of this type of semiconductor lasers.Device characterisation indicates negligible leakage currentalong the etched mesa sidewalls confirming a smooth regrowthinterface. Nevertheless, experimental and simulation resultsreveal that a significant part of the injected current is lostas leakage through the burying material. This is attributed todouble carrier injection into the SI-GaInP:Fe layer.Simulations also predict that the function of GaInP:Fe ascurrent blocking layer should be markedly improved in the caseof GaAs-based longer wavelength lasers.</p><p><b>Keywords:</b>semiconductor lasers, in-plane lasers, VCSELs,GaAs, GaInP, semi-insulating materials, hydride vapour phaseepitaxy, regrowth, buried heterostructure, leakage current,simulation.</p>

Ces travaux de thèse portent sur la conception et la réalisation d'un nouveau type de MOEMS (Micro-Optical-Electrical-Mechanical System) pour le contrôle actif du faisceau laser émis par des matrices de VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers). Afin d'améliorer l'intégration de ces diodes lasers dans les systèmes de communication et de détection optiques (instrumentation, biomédical), nous avons en effet conçu et réalisé un microsystème à base de polymères compatible avec une intégration monolithique sur VCSELs. Il est composé d'une microlentille réfractive associée à une membrane suspendue, dont le déplacement vertical permet de modifier dynamiquement la distance microlentillesource. La géométrie du MOEMS a été optimisée à l'aide de simulations optiques pour la propagation du faisceau gaussien et thermo-mécaniques pour l'actionnement de la membrane. Nous avons développé l'ensemble des briques technologiques pour la fabrication collective de ce dispositif sur VCSELs. En particulier, plusieurs voies ont été évaluées pour assurer l'alignement optimal de la microlentille avec la source laser. L'étude du vieillissement de la résine SU-8 exploitée pour ces études a été également menée. Enfin, la caractérisation des microsystèmes réalisés a conduit à l'obtention de déplacements mécaniques de 8 μm pour 3V appliqués, correspondant à une modification de la position du plan de focalisation de la lentille de 20μm, ce qui valide nos modélisations et démontre l'intérêt de l'approche proposée.