Les travaux exposés dans ce manuscrit concernent le développement de spectromètres laser pour la mesure in-situ de CH4, CO2 et H2O dans l'atmosphère moyenne ainsi que la spectroscopie associée, l'inversion des données atmosphériques et les premières campagnes ballon. La première partie de ce manuscrit décrit le contexte scientifique qui a conduit au développement des spectromètres laser et donne un état de l'art en matière instrumentale. La seconde partie décrit deux études spectroscopiques portant sur le multiplet R(6) du méthane à 3.24µm et sur les transitions R18e et R20e du dioxyde de carbone à 2.68µm pour l'inversion des mesures atmosphériques. La troisième partie de ce manuscrit porte sur le développement des spectromètres PicoSDLA-CH4 dédié à la mesure de CH4 dans l'atmosphère à 3.24µm, utilisant une source laser à différence de fréquence, et PicoSDLA-CO2 dédié à la mesure de CO2 à 2.68µm avec une diode à antimoniure. Ces spectromètres ont réalisé plusieurs vols sous ballons stratosphériques en 2010, 2011 et 2012. Les résultats de ces campagnes sont exposés dans la quatrième partie du manuscrit. / This thesis reports the development of laser spectrometers dedicated to in-situ measurements of CH4, CO2 et H2O in the middle atmosphere. It includes the development of the prototypes, the associated spectroscopy, the concentration data retrieval as well as the first balloon campaigns. The first part of the thesis describes the scientific framework and it further gives a state of art of the instrumental field. The second part gives the results from a spectroscopic study on the R(6) manifold of CH4 at 3.24µm and on the R18e and R20e lines of CO2 at 2.68µm in order to allow an accurate concentration retrieval. The third part details the development of the PicoSDLA-CH4 spectrometer dedicated to the in-situ measurements of CH4 at 3.24µm, using a difference frequency generation (DFG) laser source, and the development of PicoSDLA-CO2, a sensor dedicated to measurements of CO2 at 2.68µm using antimonide laser diodes. Both spectrometers were involved in three balloon campaigns in 2010, 2011 and 2012; the results are presented in the fourth part of the thesis.

Il existe une demande de plus en plus importante pour des sources laser bon marché émettant dans le moyen infrarouge (MIR) à température ambiante pour différentes applications incluant la détection des constituants atmosphériques, la communication optique et le domaine de la médecine. De part ses propriétés optiques et structurales, le Cr2+: ZnSe est devenu le candidat idéal pour une émission largement accordable dans la région 2-3 µm. <br />Dans l'objectif de développer un laser compact pompé électriquement, des films minces de Cr2+:ZnSe ont été élaborés à température ambiante par pulvérisation magnétron radiofréquence d'une cible de SiO2 recouverte de morceaux de ZnSe et de chrome sous plasma d'argon pur, sur des substrats de verre, Si et GaAs. <br />Quelque soit le substrat, les films déposés sont constitués de ZnSe cubique quasi-stoechiométrique et présentent une structure colonnaire avec une forte orientation préférentielle dans la direction 111. Le recours à l'analyse combinée par diffraction X a permis de résoudre simultanément la texture, la structure et la microstructure d'un des films déposés. Le spectre de PL des films à température ambiante dans le domaine 2-3 µm, comparable à celui des cristaux de référence de Cr2+ :ZnSe, a été obtenu d'une part par excitation directe des ions Cr2+ (1.85 µm) et d'autre part par excitation indirecte en utilisant un laser visible. Les paramètres de dépôt (puissance radiofréquence, pression d'argon, quantité de chrome) ont été optimisés pour obtenir des films présentant une intensité de PL maximum dans le MIR.

Abstract : Photonic Integrated Circuits (PIC) are of tremendous interest for photonics system in order to reduce their power consumption, size, fabrication cost and improve their reliability of fiber optics linked discrete component architecture. However, unlike for microelectronics, in photonics different heterostructures are required depending on the type of device (laser sources, detectors, modulators, passive waveguides…). Therefore photonics integration needs a technology able to produce multiple bandgap energy wafers with a suitable final material quality in a reproducible manner and at a competitive cost: a technological challenge that has not been completely solved yet. Quantum Well Intermixing (QWI) is a post growth bandgap tuning process based on the localized and controlled modification of quantum well composition profile that aims to address these matters. UV laser induced QWI (UV-Laser-QWI) relies on high power excimer laser to introduce point defects near the heterostructure surface. By adjusting the laser beam shape, position, fluence and the number of pulse delivered, the different regions to be intermixed can be defined prior to a rapid thermal annealing step that will activate the point defects diffusion across the heterostructure and generate quantum well intermixing. UV-LaserQWI presents the consequent advantage of allowing the patterning of multiple bandgap regions without relying on photolithographic means, thus offering potentially larger versatility and time efficiency than other QWI processes. UV-Laser-QWI reproducibility was studied by processing samples from an InGaAs/InGaAsP/InP 5 quantum well heterostructure emitting at 1.55 µm. 217 different sites on 12 samples were processed with various laser doses. The quantum well intermixing generated was then characterized by room temperature photoluminescence (PL) mapping. Under those experimental conditions, UV-Laser-QWI was able to deliver heterostructures with a PL peak wavelength blue shift controlled within a +/- 15 % range up to 101.5nm. The annealing temperature proved to be the most critical parameter as the PL peak wavelength in the laser irradiated areas varied at the rate of 1.8 nm per degree Celsius. When processing a single wafer, thus limiting the annealing temperature variations, the bandgap tuned regions proved to be deliverable within ± 7.9%, hence establishing the potential of UV-Laser-QWI as a reproducible bandgap tuning solution. The UV-Laser-QWI was used to produce multiple bandgap wafers for the fabrication of broad spectrum superluminescent diodes (SLD). Multiple bandgap energy profiles were tested and their influence on the SLDs’ performances was measured. The most favorable bandgap modifications for the delivery of a very broadband emitting SLD were analyzed, as well as the ones to be considered for producing devices with a flat top shaped spectrum. The intermixed SLDs spectra reached full width at half maximum values of 100 nm for a relatively flattop spectrum which compare favorably with the ≈ 40nm of reference devices at equal power. The light-intensity characteristics of intermixed material made devices were very close to the ones of reference SLD made from as-grown material which let us think that the alteration of material quality by the intermixing process was extremely limited. These results demonstrated that the suitability of UV-Laser-QWI for concrete application to photonic devices fabrication. Finally, an alternative laser QWI technique was evaluated for SLD fabrication and compared to the UV laser based one. IR-RTA relies on the simultaneous use of two IR laser to anneal local region of a wafer: a 980 nm laser diode coupled to a pigtailed fiber for the wafer background heating and a 500 µm large beam TEM 00 Nd:YAG laser emitting at 1064 nm to anneal up to intermixing temperature a localized region of the wafer. The processed samples exhibited a 33 % spectral width increase of the spectrum compare to reference device at equal power of 1.5 mW. However, the PL intensity was decreased by up to 60 % in the intermixed regions and the experiments proved the difficulty to avoid these material degradations of material quality with IR-RTA. / Résumé : L’intégration de circuit photonique vise à réduire la consommation énergétique, la taille, le coût et les risques de panne des systèmes photoniques traditionnels faits de composants distincts connectés par fibre optique. Cependant, contrairement à la microélectronique, des hétérostructures spécifiques sont requises pour chaque composant : lasers, détecteurs, modulateurs, guides d’ondes… De cette constatation découle le besoin d’une technologie capable de produire des gaufres d’hétérostructures III/V de qualité à plusieurs énergies de gap, et ce de façon reproductible pour un coût compétitif. Aucune des techniques actuelles ne répond pour l’instant pleinement à tous ces impératifs. L’interdiffusion de puits quantique (IPQ) est un procédé post épitaxie basé sur la modification locale de la composition des puits quantiques. L’IPQ induite par laser UV (IPQ-UV) est basée sur l’utilisation de laser excimer (Argon-Fluor émettant à 193 nm ou Krypton-Fluor à 248 nm) pour introduire des défauts ponctuels à la surface de l’hétérostructure. En ajustant la taille du faisceau, sa position, son énergie ainsi que le nombre d’impulsions laser délivrées à la surface du matériau, on peut définir les régions à interdiffuser ainsi que leur futur degré d’interdiffusion. Un recuit de la gaufre active ensuite la diffusion des défauts et par conséquent l’interdiffusion du puits. L’IPQ-UV présente l’avantage considérable de se passer de photolithographie pour définir les zones de différentes énergies de gap, diminuant ainsi la durée et potentiellement le coût du procédé. La reproductibilité de l’IPQ-UV a été étudiée pour l’interdiffusion d’une structure à 5 puits quantiques d’InGaAs/InGaAsP/InP émettant à 1.55 µm. 217 régions sur 12 échantillons ont été irradiés par un laser KrF avec des nombres d’impulsion variables selon les sites et avec une densité d’énergie constante de 155 mJ/cm². Les modifications de la structure générée par ce traitement furent ensuite mesurées par cartographie en photoluminescence (PL) à température ambiante. L’analyse des données montra que l’IPQ-UV permet un contrôle du décalage vers le bleu du pic de PL à +/- 15 % jusqu’à 101.5nm. La température du recuit est apparue comme le paramètre crucial du procédé, puisque la longueur d’onde du pic de PL des zones interdiffusées varie de 1.8 nm par degré Celsius. En considérant les sites irradiés sur une seule gaufre, c’est à dire en s’affranchissant des variations de température entre deux recuits de notre système, la variation du pic de PL est contrôlable dans une plage de ± 7.9%. Ces résultats démontrent le potentiel de l’IPQ-UV en tant que procédé reproductible de production de gaufre à plusieurs énergies de gap. L’IPQ-UV a été utilisé pour la fabrication de diodes superluminescentes (DSLs). Différents type de structure à énergie de gap multiple ont été testés et leurs influences sur les performances spectrales des diodes évalués. Les spectres des DSLs faites de matériau interdiffusé ont atteint des largeurs à mi-hauteur dépassant les 100 nm (jusqu’à 132 nm), ce qui est une amélioration conséquente des ≈ 40nm des DSLs de référence à puissance égale. Les caractéristiques intensité–courant des DSLs interdiffusés furent mesurées comme étant très proches de celle des dispositifs de référence faits de matériau brut, ce qui suggère que l’IPQ-UV n’a pas ou très peu altéré la qualité du matériau initial. Ces résultats prouvent la capacité de l’IPQ-UV à être utilisé pour la fabrication de dispositifs photoniques. Une technique alternative d’IPQ par laser a été évaluée et comparée à l’IPQ-UV pour la fabrication de DSL. Le recuit rapide par laser IR est basé sur l’utilisation simultanée de deux lasers IR pour chauffer localement l’hétérostructure jusqu’à une température suffisante pour provoquer l’interdiffusion: une diode laser haute puissante émettant à 980 nanomètre couplée dans une fibre chauffe la face arrière de la gaufre sur une large surface à une température restant inférieure à celle requise pour provoquer l’interdiffusion et un laser Nd:YAG TEM 00 émettant à 1064 nm un faisceau de 500 µm de large provoque une élévation de température additionnelle localisée à la surface de l’échantillon, permettant ainsi l’interdiffusion de l’hétérostructure. Les dispositifs fabriqués ont montré une augmentation de 33 % de la largeur à mi-hauteur du spectre émis à puissance égale de 1.5 mW. Cependant, l’intensité du pic de PL dans les zones interdiffusées est diminuée de 60 %, suggérant une dégradation du matériau et la difficulté à produire un matériau de qualité satisfaisante.