Добірка наукової літератури з теми "Diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL)"

Ce travail a consisté à étudier le comportement de VCSELs en régime statique et dynamique. Après avoir présenté la structure du VCSEL, nous avons établi un système d’équations d’évolution du nombre de porteurs et de photons incluant la contribution de l’émission verticale et des puits quantiques. Ces équations ont été résolues pour obtenir le nombre de photons et de porteurs en fonction d’un minimum de paramètres intrinsèques. La première étape expérimentale a porté sur la caractérisation statique de la diode laser afin de déterminer sa zone de fonctionnement. Nous nous sommes ensuite intéressés à la modélisation dynamique du VCSEL. Inspirés du schéma électrique équivalent petit signal d’une diode laser conventionnelle, nous avons établi celui d’un VCSEL en représentant ses particularités telles que la contribution des miroirs de Bragg et des puits quantiques sous forme de cellules RC parallèles. Le modèle a été élaboré en comparant les équations du circuit électrique équivalent et les équations d'évolution linéarisées. Les éléments parasites dus à la connectique et au support de test ont été ajoutés à ce modèle intrinsèque de puce laser. Finalement, la validation a été effectuée grâce aux mesures du paramètre S11 et du paramètre S21. Après avoir cherché à valider le modèle sur des VCSELs en boîtier, des résultats concluants ont été obtenus grâce a des mesures sous pointes sur des barrettes de VCSELs en structure implantée ou à diaphragme d’oxyde, ce qui nous a permis d’extraire des valeurs convenables pour les paramètres intrinsèques.

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

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

Nous produisons chaque jour de grandes quantités de données, que nous échangeons sur le réseau Internet. Ces données sont traitées grâce à des clusters de calcul, responsables de la consommation énergétique d’internet. Dans cette thèse, nous étudions une architecture faite de composants photoniques, pour se débarrasser des composants électroniques consommant de l'énergie. Grâce aux composants actuellement utilisés dans le réseau Internet (laser et fibre optique), nous réalisons un réseau neuronal artificiel capable de traiter les données de télécommunication. Le réseau de neurones artificiel est constitué d'un laser et d'une fibre optique qui renvoie la lumière dans ce laser. Le comportement complexe de ce système est utilisé pour alimenter les neurones artificiels qui sont répartis le long de la fibre. Nous sommes en mesure de prouver que ce système est capable de traiter soit un signal avec une grande efficacité, soit deux signaux au prix d'une petite perte de précision
We are producing everyday thousands of gigabits of data, exchanged over the internet network. These data are processed thanks to computation clusters, which are responsible of the large amount of energy consumed by the internet network. In this work, we study an architecture made of photonic components, to get rid of electronic components that are power consuming. Thanks to components that are currently used in the internet network (laser and optical fiber), we aim at building an artificial neural network that is able to process telecommunication data. The artificial neural network is made of a laser, and an optical fiber that send back the light into the laser. The complex behavior of this system is used to feed the artificial neurons that are distributed along the fiber. We are able to prove that this system is able either to process one signal with a high efficiency, or two signals at the expense of a small loss of accuracy

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).

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.