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Cette étude adresse une technologie de diodes laser à semi-conducteur InGaAs/AlGaAs/GaAs émettant à 980 nm en configuration puce nue (CSE-Composant Sur Embase) utilisées pour le pompage optique dans les amplificateurs à fibre dopée Er3+. Il s'agit de composants possédant un tel niveau de maturité technologique que l’évolution des paramètres observés au cours du temps ne présente plus de variations suffisamment significatives pour pouvoir dégager des conclusions exhaustives en termes de fiabilité. La recherche de méthodes alternatives et/ou complémentaires aux méthodes dites « classiques » visant à la compréhension des mécanismes de défaillance et l’identification des signatures indiquant une possible dégradation future des diodes laser, relève aujourd’hui un défi stratégique pour les composants actuels. Dans ce contexte, cette étude propose un ensemble de techniques basées sur la discrimination du fonctionnement des diodes en régime direct et en particulier en régime inverse par spectroscopie électrique. La corrélation des différentes mesures en régime inverse, très peu étudié dans la caractérisation des diodes laser, peut mettre en évidence des comportements atypiques qui révèlent la présence de défauts ponctuels résiduels dans le volume d’une diode car les courants observés sont très faibles. Le régime inverse permet d'offrir des perspectives intéressantes en considérant que ce régime reste de nos jours quasiment inexploré pour les composants optoélectroniques émissifs tels que les diodes laser. / This study addresses InGaAs / AlGaAs / GaAs laser diode emitting at 980 nm in bare chip configuration (COS-Component on Submount) for optical pumping in Er3+ doped fiber amplifiers. These devices have a level of technological maturity that the changes in the parameters observed during aging do not present sufficiently significant variations in order to obtain exhaustive conclusions in terms of reliability. Searching for alternative and/or complementary methods to the so-called « classical » methods aimed to understanding the failure mechanisms and the identification of signatures indicating possible future degradation of the laser diodes, represents today a strategic challenge for the current components. In this context, this study suggests a set of techniques based on the discrimination of the operation mode of the diodes in direct bias and in particular in reverse bias by electrical spectroscopy. The correlation of the different measurements in reverse bias, not more studied in the characterization of laser diodes, can reveal atypical behaviors highlighting presence of residual point defects in the volume of a diode because the currents observed are very weak. The reverse bias makes it possible to offer interesting perspectives considering that, this operation mode remains today almost unexplored for optoelectronic emitting devices such as laser diodes.

Les travaux reportés dans ce mémoire concernent la conception et la réalisation technologique de diodes laser à émission surfacique de type DBR (Distributed Bragg Reflector), dans la filière GaAlAs/GaAs. Dans une première partie, l'étude porte sur la modélisation et la conception de diodes laser à réflecteurs de Bragg distribués du second ordre. Il est présenté un modèle global qui regroupe, de façon consistante, les propriétés spectrales de la cavité DBR et celles de la structure à puits quantique, notamment en ce qui concerne le gain dans les régions pompées et l'absorption dans les régions non pompées. Ce modèle est mis en œuvre pour analyser, de façon systématique, l'influence des paramètres géométriques du composant sur ses performances en courant de seuil, rendement différentiel, diagramme de rayonnement et spectre d'émission. On en déduit le choix des paramètres permettant un fonctionnement optimal et on démontre que, compte tenu de la position aléatoire de la première dent des réseaux de Bragg par rapport à la zone de gain, il est impossible de prévoir, dans l'état de l'art actuel, la valeur du rendement différentiel ou la forme du diagramme de rayonnement. La seconde partie de l'étude concerne la définition d'un processus de fabrication, la réalisation technologique et la caractérisation de diodes laser DBR à émission surfacique. Il est présenté une étude détaillée de la mise en œuvre d'un banc d'insolation holographique destiné à la réalisation de réseaux diffractants sur semiconducteur. On établit ensuite un procédé complet d'élaboration de la diode DBR qui tient compte à la fois des critères de conception et des conditions particulières imposées par le principe de la structure. Les diodes laser réalisées présentent une émission surfacique selon des performances qui démontrent à la fois la validité de l'approche théorique et la qualité du procédé d'élaboration proposé

L'interaction rayonnement matière est bien connue et documentée. A contrario, les études portant sur l'influence d'un environnement radiatif sur les diodes laser sont rares, et considèrent souvent le composant comme une boîte noire dont seules les propriétés extrinsèques sont étudiées. Nous proposons une méthodologie originale d'étude des diodes laser, basée sur l'analyse des propriétés optiques, électriques, dynamiques des composants. Nous montrons que ce type d'étude permet de remonter aux grandeurs physiques intrinsèques des composants étudiés. Cette méthodologie est ensuite appliquée à l'étude de l'impact d'un environnement radiatif spatial sur des diodes laser émettant à 852 nm destinées à être utilisées pour le refroidissement d'atome de césium dans des dispositifs embarqués. Pour généraliser la méthode utilisée, nous avons étendu nos essais à des diodes laser avancées à base d'alliages de GaInNAs sur InP en tension et de diodes laser à ilots quantiques InAs sur InP.

Par une structuration périodique de l'espace à l'échelle de la longueur d'onde, les cristaux photoniques permettent un contrôle efficace de la lumière. Nos travaux concernent l'exploitation des propriétés de ces cristaux pour définir une cavité planaire de diode laser et pour en proposer un contrôle de l'émission. Une première partie présente l'étude de guides définis par des cristaux photoniques bidimensionnels obtenus dans une hétérostructure semi-conductrice par la réalisation de trous. Différents comportements modaux sont analysés selon le point de fonctionnement choisi. Nous montrons qu'une émission monomode de type DFB (Distributed Feedback) peut être obtenue. La deuxième partie concerne la démonstration expérimentale de diodes laser à cristaux photoniques bidimensionnels fonctionnant sous pompage électrique. Les caractéristiques spectrales et modales sont analysées et elles permettent de valider l'étude théorique. Une émission monomode avec un taux de réjection des modes secondaires supérieur à 35 dB a été obtenue. Dans la dernière partie, nous proposons une approche originale du contrôle spectral basée sur une déformation de la maille du cristal photonique selon l'axe latéral de la cavité laser. Il est alors montré qu'une telle déformation permet d'accéder à un contrôle de la longueur d'onde d'émission à 0,4 nm près, tout en restant compatible avec les contraintes technologiques liées à la réalisation d'un cristal photonique. D'autre part, nous démontrons expérimentalement que ce type de déformations peut être mis à profit pour améliorer les caractéristiques d'émission laser des dispositifs étudiés grâce à une ingénierie de la bande interdite photonique.

Wireless backhaul communication and power transfer can make the deployment of outdoor small cells (SCs) more cost effective; thus, their rapid densification can be enabled. For the first time, solar cells can be leveraged for the two-fold function of energy harvesting (EH) and high speed optical wireless communication. In this thesis, two complementary concepts for power provision to SCs are researched using solar cells – the optical wireless power transfer (OWPT) in the nighttime and solar EH during daytime. A harvested power of 1W is considered to be required for an autonomous SC operation. The conditions of darkness – worst case scenario – are initially selected, because the SC needs to harvest power in the absence of ambient light. The best case scenario of daytime SC EH from sunlight is then explored to determine the required battery size and the additional power from optical sources. As a first approach, an indoor 5m experimental link is created using a white light-emitting diode for OWPT to an amorphous silicon (Si) solar panel. Despite the use of a large mirror for collimation, the harvested power and energy efficiency of the link are measured to be only 18:3mW and 0:1%, respectively. Up to five red laser diodes (LDs) with lenses and crystalline Si (c-Si) cells are used in a follow-up study to increase the link efficiency. A maximum power efficiency of 3:2% is measured for a link comprising two LDs and a mono-c-Si cell, and the efficiency of all of its components is determined. Also, the laser system is shown to achieve an improvement of the energy efficiency by 2:7 times compared with a state-of-the-art inductive power transfer system with dipole coils. Since the harvested power is only 25:7mW, an analytical model for an elliptical Gaussian beam is developed to determine the required number of LDs for harvesting 1W; this shows an estimated number of 61 red LDs with 50mW of output optical power per device. However, a beam enclosure of the developed Class 3B laser system of up to a 3:6m distance is required for eye safety. A simulation study is conducted in Zemax for the design of an outdoor 100m infrared wireless link able to harvest 1W under clear weather conditions. Harvesting 1:2W and meeting eye safety regulations for Class 1 are shown to be feasible by a 1550 nm laser link. The required number of laser power converters is estimated to be 47 with an area of 5 5mm2 per device. Also, the dimensions of the transmitter and receiver are considered to be acceptable for the practical application of SC EH. In the last part of this thesis, two multi-c-Si solar panels are initially used for EH in an outdoor environment during daytime. The power supply of at least 1W is shown to be achievable during hour periods under sunny and cloudy conditions. A maximum average power of 4:1W is measured in the partial presence of clouds using a 10W solar panel. Since the variability of weather conditions induces the harvested power to fluctuate with values of mW, the use of optical sources is required in periods of insufficient solar EH for SCs. Therefore, a hybrid solar/laser based EH design is proposed for a continuous annual SC provision of 1Win ‘darker’ places on earth such as Edinburgh, UK. The 10W multi-c-Si solar panel and the 1550 nm laser link are considered; thus, the feasibility of supplying the SC with at least 1Wper hour monthly using a battery with energy content of only 60Wh is shown through simulations. A maximum monthly average harvested power of 824mW is shown to be required by the 1550 nm laser system that has already been overachieved through simulations in Zemax.

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.

Les procédés plasma de grandes dimensions, uniformes et denses, sont essentiels pour les traitements de surface qui demandent des vitesses de gravure ou de dépôt élevées et uniformes. Ainsi, l'objectif de cette étude est de produire des nappes de plasma uniformes et de fortes densités dans la gamme de pression de 100 Pa. L'extension d'échelle des plasmas est réalisable par la distribution de sources plasma micro-onde suivant un réseau à deux ou trois dimensions. Ce concept a été appliqué à un réacteur plan constitué de 4 × 3 = 12 sources plasma micro-onde distribuées selon une configuration matricielle carrée (paramètre de maille de 4 cm). Pour chaque source élémentaire, le plasma est produit à l'extrémité d'un applicateur coaxial implanté perpendiculairement au plan de la source bidimensionnelle. Dans la gamme des puissances micro-onde faibles et dans celle des pressions élevées, des plasmas localisés à symétrie azimutale sont visibles autour de chaque applicateur coaxial. En augmentant la puissance micro-onde, les plasmas localisés s'étendent et se rejoignent pour produire une tranche de plasma uniforme. Les plasmas d'argon, qui peuvent être maintenus entre 7,5 et 750 Pa, ont été caractérisés principalement par sonde de Langmuir. La nappe de plasma obtenue devient uniforme à partir de 15-20 mm du plan de source, c'est-à-dire à une distance de l'ordre de la moitié du paramètre de maille. Les résultats montrent que le plasma peut atteindre des densités comprises entre 10^12 et 10^13 cm^-3 avec une uniformité de ± 3,5 % à 20 mm du plan de source. La décroissance de la température électronique observée lors d'une augmentation de la puissance micro-onde est justifiée par l'apparition d'un mécanisme d'ionisation par étapes via les atomes métastables, dont la concentration et la température ont été mesurées par spectroscopie d'absorption par diodes laser. Une modélisation analytique simplifiée suivie d'une modélisation numérique du plasma d'argon à une dimension a été effectuée. Elle permet de conforter la plupart des hypothèses sur les mécanismes de création et de perte dans le plasma. Enfin, pour tester le réacteur dans des applications aux traitements de surface, des couches de SiOCH et de SiNCH ont été déposées par PACVD en vue d'évaluer la vitesse et l'uniformité du dépôt. Les vitesses de dépôt obtenues dépassent le µm/min et les dépôts sont uniformes.

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.

Ces trois années de thèse balayent la conception, la fabrication et la caractérisation de lasers III V sur silicium à 1.31 µm pour les data-communications. Le design des sources englobe notamment l’optimisation du couplage entre l’empilement III V et le silicium, effectué grâce à un taper adiabatique, ainsi que l’étude de la cavité laser inscrite, comme le taper, dans le silicium. Trois types de cavités à base de réseaux ont été étudiées: les cavités à contre-réaction distribuée (DFB pour distributed feedback), celles à réseaux de Bragg distribuées (DBR pour distributed Bragg reflector) et enfin celles à réseaux de Bragg échantillonnées (SGDBR pour sampled-grating DBR). Deux solutions ont été abordées concernant les lasers DFB: le réseau, inscrit dans le guide silicium sous la zone de gain, est soit gravé au-dessus du guide Si, soit sur les côtés. La seconde possibilité, appelée ‘DFB lasers couplés latéralement’, simplifie la fabrication et élargit les possibilités de design.Les lasers DFB fabriqués sont très prometteurs en terme de puissance (avec jusque 20 mW dans le guide) ainsi que pour leur pureté spectrale (avec une différence de plus de 50 dB entre le mode principal et le mode suivant). Une accordabilité spectrale de plus de 27 nm a été obtenue en continu avec les lasers SGDBR tout en conservant une très bonne pureté spectrale et une puissance de plus de 7 mW dans le guide. / This 3 years work covers the design, the process and the characterization of III-V on silicon lasers at 1.31 µm for datacommunication applications. In particular, the design part includes the optimization of the coupling between III V and Si using adiabatic tapers as well as the laser cavity, which is formed within the Si. Three types of lasers were studied, all of them based on cavities which consist of gratings: distributed feedback (DFB) lasers, distributed Bragg reflector (DBR) lasers and finally sampled-grating DBR (SGDBR) lasers. Regarding the DFB lasers, two solutions have been chosen: the grating is either etched on top or on the edges of the Si waveguide to form so called vertically or laterally coupled DFB lasers. The latter type, quite uncommon among hybrid III V on Si technologies, simplifies the process fabrication and broadens the designs possibilities.Not only the lasers demonstrated show high output powers (~20 mW in the waveguides) but also very good spectral purities (with a side mode suppression ratio higher than 50 dB), especially for the DFB ones. The SGDBR devices turn out to be continuously tunable over a wavelength range higher than 27 nm with a good spectral purity as well and an output power higher than 7 mW in the waveguide with great opportunities of improvement.