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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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16481
06/12/2016

Nouveaux concepts de filtres spectraux ultra-sélectifs pour spectroscopie embarquée

K.SHARSHAVINA

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 6 Décembre 2016, 174p., Président: V.PAILLARD, Rapporteurs: Y.JOURLIN, F.BAIDA, Examinateurs: A.TALNEAU, Directeurs de thèse: P.ARGUEL, A.L.FEHREMBACH , N° 16481

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01451002

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Abstract

Guided Mode Resonance Filters ( GMRF ) are a new generation of narrowband optical filters and are a very promising alternative to conventional multilayer Fabry-Perot filters. The resonance peak of GMRF can be spectrally extremely thin and with a centering wavelength tunable according to the angle of incidence of the light. These properties are particularly important for spectroscopy. Previous works have helped to implement an original structure with two 1D crossed gratings. The performance of this filter overpasses those of conventional filters in their spectral subnanometric response, tunability and their ability to overcome the influence of the polarization of the incident wave under oblique incidence. The aim of this work is to explore the final performances of such devices in terms of resolution and rejection rate, thanks to an approach combining theory, fabrication technology and characterization. We present experimental results of a polarization independent reflective filter, tunable over 40 nm with a tunability of 8.3 nm/, having a reflection of 10−3 on a 90 nm range outside the resonance and a quality factor over 5000.

Résumé

Les filtres spectraux à réseaux résonants, ou GMRF (Guided-Mode Resonance Filters), sont une nouvelle génération de filtres à bande étroite et constituent une alternative très prometteuse aux filtres conventionnels multicouches Fabry-Pérot. Le pic de résonance d’un GMRF peut être très fin spectralement et de longueur d’onde de centrage accordable en fonction de l’angle d’incidence. Ces propriétés sont particulièrement importantes pour la spectroscopie. Les travaux antérieurs ont permis de mettre en oeuvre une structure originale comportant deux réseaux 1D croisés. Les performances de ce filtre surpassent celles des filtres conventionnels par leur réponse spectrale subnanométrique, leur accordabilité, et leur capacité à s’affranchir de l’influence de la polarisation de l’onde incidente sous incidence oblique. Le but de ce travail est d’explorer les performances ultimes de ce type de dispositif en termes de résolution et taux de réjection, par une approche mêlant théorie, technologie et caractérisation. Nous présentons des résultats expérimentaux d’un filtre en réflexion indépendant de la polarisation, accordable sur 40 nm avec 8,3 nm/ d’accordabilité, ayant une réflexion de 10−3 sur une plage de 90 nm en dehors de la résonance et un facteur de qualité supérieur à 5000.

Mots-Clés / Keywords
Filtre optique; Filtre spectral; Bande-étroite; Réseau résonnant; Indépendance à la polarisation; Accordabilité spectrale; Résonance de mode guidée; Sub-longueur d’onde; Nanophotonique; Nanoimprint; Spectroscopie embarquée; Spectroscopie infrarouge; Caractérisation spectrale; Optical filters; Spectral filter; Narrow band; Resonant grating; Polarization independence; Tunability; Guided-mode resonance; Subwavelength; Nanophotonics; Embedded spectroscopy; Infrared spectroscopy; Spectral characterization;

138593
16475
05/12/2016

Nouvelles architectures de composants photoniques par l'ingénierie du confinement électrique et optique

G.LAFLEUR

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 5 Décembre 2016, 150p., Président: A.MLAYAH, Rapporteurs: B.PANICAUD, S.BARBAY, Examinateurs: J.JACQUET, Directeurs de thèse: S.CALVEZ, G.ALMUNEAU , N° 16475

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01449561

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Abstract

Optical and electrical confinement using Al(Ga)As layer oxidation is a key milestone in the fabrication of active and passive GaAs-based photonic components. To optimize those devices, through the control of the optical and electrical confinements, a better modelling of oxidation process and a better understanding of optical properties of aluminum oxide (AlOx) is required. One part of this work is focusing on a throughout experimental study of AlGaAs oxidation kinetics, where I studied different important parameters such as wafer temperature, gallium composition, atmospheric pressure and mesa geometry. Then, I developed a new predictive model taking into account the process anisotropy, thus allowing a better temporal and spatial of AlAs oxidation front evolution. Finally, I could exploit this technological process to realize whispering gallery mode microdisks as well as slot optical waveguides, and I have characterized this latter photonic devices.

Résumé

Le confinement électrique et optique par oxydation des couches minces d’AlGaAs est une étape essentielle dans la réalisation des composants photoniques actifs et passifs dans la filière de matériaux GaAs. La recherche de performances ultimes sur ces composants nécessite une meilleure maîtrise du procédé d’oxydation ainsi qu’une meilleure connaissance des propriétés optiques de l’oxyde d’aluminium (AlOx). Dans cette perspective, j’ai d’abord réalisé une étude expérimentale de la vitesse d’oxydation des couches d’AlGaAs en fonction de la température du substrat, de la composition en gallium des couches étudiées, de la pression atmosphérique et de la géométrie des mesas considérés. Puis, j’ai établi un modèle anisotrope permettant une meilleure résolution spatiale et temporelle de la forme du front d’oxydation de l’AlAs. Enfin, j’ai exploité ce procédé pour réaliser des composants d’optique guidée notamment des micro-résonateurs puis réalisé des guides optiques à fente et caractérisé leurs performances optiques.

Mots-Clés / Keywords
Semi-conducteurs III-V; Confinement optique; Oxydation humide d’AlGaAs; Micro-résonateurs à mode de galerie; Guide optique à fente; III-V semi-conductors; Wet oxidation of aluminum arsenide; Optical confinement; Whispering gallery mode microdisks; Slot waveguides;

138553
16329
13/10/2016

Etude des propriétés spectrales et spatiales de réflecteurs et coupleurs résonants

R.LABERDESQUE

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Doctorat : INSA de Toulouse, 13 Octobre 2016, 209p., Président: D.DRAGOMIRESCU, Rapporteurs: E.CENTENO, Y.JOURLIN, Examinateurs: A.BOUCHIER, P.FERON, T.GACOIN, Directeurs de thèse: H.CAMON, A.MONMAYRANT , N° 16329

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Abstract

The study is focused on the spectral and spatial properties of resonant grating structures. Resonant gratings in cavity are identified as structures allowing the fabrication of small-area and efficient reflectors and couplers. A model based on coupled mode theory has been developped, enabling fast modeling and design of this kind of structures. Thanks to this model we improved our understanding of the spectral and spatial properties of resonant gratings in cavity. In particular, we have established the relationship between the structure’s geometry and the spectral and spatial properties of the modes which efficiently interact with the structures when used as reflectors or as couplers. The design of coupling structures with high-quality factor and controlled spatial profiles on cm-sized surfaces has been studied. Two axis of research are presented : structures composed of several cavities and structures composed by one large cavity. The later ones allow a better control of the spatial properties both in intensity and phase. We demonstrate that these structures have a high potential for holography. Design of such structures with low contrast index is also considered, particularly the design and fabrication of polymer-based waveguiding structures.

Résumé

L’étude porte sur les propriétés spectrales et spatiales de structures à réseaux résonants. Les réseaux résonants en cavité sont identifiés comme des structures permettant la réalisation de réflecteurs et de coupleurs efficaces sur de petites dimensions. Un modèle basé sur la théorie des modes couplés a été développé permettant la modélisation et la conception rapide de ce type de structures. La modélisation a contribué à la compréhension des propriétés spectrales et spatiales de réseaux résonants en cavité. Elle permet notamment de faire le lien entre les propriétés spectrales et spatiales des modes pouvant interagir efficacement avec les structures utilisées comme réflecteurs ou coupleurs. La conception de structures couplantes à fort facteur de qualité et aux profils spatiaux contrôlés sur des surfaces de l’ordre du cm a été étudiée. Deux axes de recherches sont présentés : des structures composées de plusieurs cavités et des structures possédant une seule grande cavité. Ce dernier axe permet une plus grande maîtrise des propriétés spatiales en intensité et en phase. Il est démontré que ces structures ont un fort potentiel en holographie. La conception de telles structures avec des matériaux de bas indice est également abordée, en particulier la conception et la réalisation de guides d’onde en polymères qui sont la base de ces structures. Les dimensionnements déterminés par la modélisation sont compatibles avec des matériaux présentant de faibles sauts d’indice.

Mots-Clés / Keywords
Optique; Réseaux résonants; Coupleur; Réflecteur; Infrarouge; Modes couplés; Optic; Resonant gratings; Coupler; Infrared; Coupled modes;

137755
15341
11/09/2015

Diodes laser tout cristal photonique émettant à 2,3 µm sur substrat GaSb

B.ADELIN

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 11 Septembre 2015, 127p., Président: A.CAZARRE, Rapporteurs: P.CHRISTOL, B.DAGENS, Examinateurs: D.BARAT, Directeurs de thèse: O.GAUTHIER LAFAYE, A.MONMAYRANT , N° 15341

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01215980

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Résumé

Les progrès récents des nanotechnologies permettent d'envisager de nouvelles générations de diodes laser. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'apport des cristaux photoniques bidimensionnels pour explorer la faisabilité d'un réseau monolithique de diodes laser tout cristal photonique émettant au voisinage de 2,3 µm en filière GaSb. Chaque laser doit répondre à un certain nombre de critères : - une émission monomode à une longueur d'onde stable et précise - une émission fine spectralement avec une puissance de sortie élevée - une longueur d'onde accordable, présentant aucun saut de mode sur la gamme d'accordabilité - un fonctionnement à température ambiante, sous pompage électrique et en régime continu. Ces critères répondent au cahier des charges de la technique de spectroscopie d'absorption à diodes laser accordables multiplexées (MTDLAS : Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy). La technique de MTDLAS est ici mise en œuvre pour les applications de détection de gaz dans le moyen infra-rouge (MIR), soit la gamme de longueur d'onde allant de 2 à 5 µm. Cette gamme de longueur d'onde présente plusieurs fenêtres de transparence (autour de 2,3 µm et de 3,4 à 4 µm) où l'absorption par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone est très faible. L'existence de ces fenêtres est mis à profit pour la détection de molécules gazeuses de l'atmosphère, telles que le monoxyde de carbone ou le méthane. Pour mes travaux de thèse, la longueur d'onde d'émission laser retenue est de 2,3 µm. Cette longueur d'onde correspond à la fenêtre de transparence pour la détection notamment du CH4, du CO et du HF. Ainsi, ce mémoire présente la conception de diodes laser tout cristal photonique, et le développement d'un procédé de fabrication de ces diodes lasers, qui a mené à la réalisation, actuellement en cours, d'une série de composants. Nous montrons qu'une déformation de la maille photonique, associée à une optimisation de la largeur du guide, permet d'obtenir un fonctionnement monomode stable. Se basant sur ce principe, plusieurs géométries de mailles de cristaux photoniques ont été étudiées. Puis, nous nous attachons à lever le verrou technologique de la gravure profonde à fort rapport d'aspect dans les alliages AlGaAsSb. Pour cela, nous présentons des études paramétriques de gravure, conduisant à la mise au point d'un procédé optimisé de gravure profonde. Des profondeurs de gravure de 3,4 µm pour des trous de 370 nm de diamètre, soit un rapport d'aspect de plus de 9, ont ainsi pu être atteintes. Cette étape critique de gravure a été insérée dans un procédé technologique de fabrication de diodes laser tout cristal photonique, que nous avons mis au point. La réalisation d'une série de composants est actuellement en cours.

Abstract

Recent advances in nanotechnology allow considering new generations of laser diodes. The purpose of this thesis is to study the contribution of two‐dimensional photonic crystals to design and fabricate a monolithic array of laser diodes emitting near 2.3 μm in GaSb system. Each laser in the array has to respond to stringent criteria : a stable and precisely predefined single‐mode emission wavelength, high output power, tunable wavelength with no mode hopping over the tunability range. Moreover, such device should operate at room temperature, under electrical pumping and continuous regime. These criteria respond to the specifications of the technique of Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (MTDLAS). The MTDLAS technique is here implemented for gas sensing applications in the Mid‐wavelength infrared (MidIR), corresponding to the wavelength range from 2 to 5 microns. This wavelength range contains two transparency windows (around 2.3 μm and from 3.4 to 4 μm), where the absorption by water vapor and carbon dioxide is reduced. The existence of these windows is harnessed for the detection of gaseous molecules in the atmosphere, such as carbon monoxide or methane. For my thesis work, the chosen wavelength of laser emission is 2.3 μm. This wavelength corresponds to a transparency window allowing detection of CH4, CO and HF. This dissertation presents the design of all photonic crystal laser diode, and the development of a manufacturing process of such device, which led to the production of a set of components. We show that the engineering of the photonic lattice combined with an optimization of the width of the laser waveguide provide stable, single‐mode emission operation. Based on this principle, several geometries for photonic crystal lattice were studied. Then we tackle the technological challenge of deep etching with high aspect ratio in AlGaAsSb alloys. For this, we present parametric studies of etching, leading to the development of an optimized process for deep etching. We succeed to etch holes of 370 nm diameter and 3.4 μm depths, corresponding at an aspect ratio in excess of 9. We have developed a technological manufacturing process of all photonic crystal laser diodes, where this critical etching step has been successful inserted. This led to the realization of a set of components.

Mots-Clés / Keywords
Diodes laser; GaSb; Gravure ionique réactive; Laser à cristaux photoniques; Laser à semiconducteur; Nanophotonique; Cristaux photoniques; Laser diodes; Reactive ion etching; Photonic crystals laser; Semiconductor lasers; Nanophotonics; Photonic crystals;

135314
15274
08/06/2015

Ingénierie des lasers à solide utilisant des nouveaux matériaux semiconducteurs

S.CALVEZ

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Habilitation à diriger des recherches : 8 Juin 2015, 144p., Président: H.MAILLOTTE, Rapporteurs: A.BARTHELEMY, A.RAMDANE, E.TOURNIE, Examinateurs: A.MLAYAH, Directrice de thèse: F.LOZES-DUPUY , N° 15274

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Abstract

In this manuscript are described the research activities I have lead and intend to pursue on the development of advanced solid-state lasers which exploit novel semiconductor materials. More specifically, the summarised activity essentially concerns the work which I have carried out at the University of Strathclyde on vertical-(extended)-cavity surface emitting lasers and semiconductor optical amplifiers using dilute nitride alloys, on the development of semiconductor saturable absorber mirrors used in novel remotely-controlled femtosecond pulse sources operating in the 1,2 à 2,2 μm wavelength band, and on the use of diamond in lasers including for heat dissipation, as a material for optical passive elements. Finally, the work I have initiated since 2012 at LAAS is presented. It concerns the development of whispering-gallery-mode resonators and sub-wavelength gratings, elements intended to be used as the heart of a new generation of integrated optical parametric oscillators.

Résumé

Ce manuscrit décrit les contributions que j’ai pu apporter et que je compte mener dans le domaine de recherche portant sur le développement de sources lasers à solide exploitant nouveaux matériaux semiconducteurs. Plus spécifiquement, je résume l’activité menée à l’University de Strathclyde sur les lasers à cavité verticale (étendue) émettant par la surface et les amplificateurs optiques à base de nitrures dilués, le développement de miroirs à absorbant saturable controlables pour les oscillateurs femto-secondes fonctionnant dans la gamme de longueurs d’onde allant de 1,2 à 2,2 μm ainsi que les travaux sur l’utilisation évolutive du diamant dans les lasers pour des fonctions de dissipation thermique ou d’utilisation en tant qu’élément d’optique passive. Enfin, je présente les travaux initiés depuis 2012 au LAAS qui portent sur les résonateurs à modes de galerie et les réseaux sub-longueur d’onde et dont la finalité est la réalisation d’oscillateurs paramétriques optiques tout intégrés.

Mots-Clés / Keywords
lasers à cavité verticale (étendue) émettant par la surface; Absorbants saturables; Conversion de fréquences; Nitrures dilués; Diamant; Antimoinures; Résonateurs à modes de galerie; Réseau sub-longueur d’onde; Oscillateurs paramétriques optiques; Vertical-(extended)-cavity surface emitting laser; Saturable absorbers; Nonlinear frequency conversion; Dilute nitrides; Diamond; Antimonides; Whispering-gallery-mode resonators; Sub-wavelength gratings; Optical parametric oscillators;

135016
13579
06/12/2013

Epitaxie de nouvelles hétérostructures pour la filière GaAs : puits/boîtes quantiques GaInAs sur surfaces structurées et alliages GaAsBi

H.MAKHLOUFI

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 6 Décembre 2013, 147p., Président: A.MLAYAH, Rapporteurs: J.P.LANDESMAN, I.BERBEZIER, Examinateurs: P.ATKINSON, H.CARRERE, Directeurs de thèse: C.FONTAINE, O.GAUTHIER LAFAYE , N° 13579

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00932237

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Abstract

Compound semiconductors provide a high flexibility in band structure engineering and cover a wide spectral band, meeting requirements for a large amount of optoelectronic applications. Moreover, they can be structured as quantum wells or quantum dots to form efficient emitters for laser diodes. My thesis deals with the development of novel quantum heterostructures for GaAs technology with the aim to further extend this material system range of applications. I have investigated two kinds of nanostructures: growth on nanostructured surfaces and GaAsBi alloys. The first part of the work is dedicated to the molecular beam epitaxy of InGaAs quantum wells and InAs quantum dots on nanopatterned GaAs surfaces. Surface patterning was carried out using a nanoimprint lithography process that we have developed and by electron beam lithography. Critical to the success of the subsequent growth step was the development and optimisation of hydrogen plasma and Ga-triggered oxide desorption from patterned GaAs to obtain smooth and clean surfaces. Our results show that growth of quantum dots can be directed, with dependence in orientation and pattern size. Furthermore, photoluminescence from these nanostructures is observed at room temperature. In the second part of the thesis, the growth of GaAsBi quantum wells was studied after optimization of the growth conditions for thick GaAsBi layers. Room temperature emission up to a wavelength of 1.22 μm is demonstrated for a strained GaAsBi quantum well (7% Bi). This latter structure exhibits flat interfaces. Moreover, the presence of defect-related localized states was highlighted by photoluminescence spectroscopy. It is further shown that these defects cannot be entirely suppressed by a rapid thermal annealing treatment.

Abstract

Une des forces des semi-conducteurs composés et de leurs alliages est de permettre une ingénierie très flexible des structures de bande et de couvrir une large bande spectrale intéressant de nombreuses applications optoélectroniques. De plus, il est possible de les réaliser sous forme de puits et boîtes quantiques, qui constituent des émetteurs efficaces pour les diodes laser. Mes travaux de thèse s’inscrivent dans le contexte du développement de nouvelles hétérostructures quantiques pour la filière GaAs en vue d’étendre sa gamme d’application. En premier lieu, la reprise d’épitaxie par jet moléculaire des puits quantiques de GaInAs et la croissance dirigée des boites quantiques d’InAs sur des surfaces nanostructurées de GaAs ont été visées. La structuration de surface a été réalisée par un procédé de nanoimpression que nous avons mis au point et par lithographie électronique. La désoxydation in situ par plasma hydrogène et sous flux de gallium a été étudiée et des surfaces lisses et propres ont été obtenues. L’influence de l’orientation et de la dimension des motifs sur les nanostructures a été précisée. La luminescence des nanostructures à température ambiante a été démontrée. En second lieu, la croissance des puits quantiques de GaAsBi a été développée après une optimisation des conditions de croissance de couches épaisses de GaAsBi. Une émission à température ambiante d’une longueur d’onde de 1.22 μm a été mesurée pour un puits contenant 7% de bismuth. Il présente des interfaces planes, une épaisseur uniforme et est déformé élastiquement. Par ailleurs, la présence d’états localisés a été mise en évidence par spectroscopie de photoluminescence. Nous avons montré que les recuits ne parviennent pas à guérir ces défauts.

Mots-Clés / Keywords
Filière GaAs; Semi-conducteurs III-V; Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM); Structuration de surface; Nanoimpression; Boites/puits quantiques; Alliages GaAs; III-V semiconductors; Molecular Beam Epitaxy; Nanopatterning surfaces;

130946
12723
14/12/2012

Confinement électrique et optique dans la filière GaAs : Ingénierie libre par oxydation sélective et reprise d’épitaxie

F.CHOUCHANE

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 14 Décembre 2012, 120p., Président: J.MORILLO, Rapporteurs: H.FOLLIOT, G.SAINT-GIRONS, Examinateurs: A.OUGAZZADEN, G.LEO, C.BONAFOS, Directeurs de thèse: C.FONTAINE, G.ALMUNEAU , N° 12723

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00781774

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Résumé

Confinement électrique et optique dans la filière GaAs : Ingénierie libre par oxydation sélective et reprise d'épitaxie 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.

Abstract

Due to the growing interest in VCSELs and the breadth of their application fields, VCSELs are evolving quickly to increase their integration capabilities and incorporate new features. This requires the control and the adaptation of the different technological steps such as the electrical and optical confinement engineering that often uses the selective wet oxidation of buried AlGaAs layers. The first part of this work was dedicated to the investigation of the mechanical stress/strain generated by the selective oxidation. This strain has a significant impact on the reliability and lifetime of the devices. In the second part of this thesis, we present a new planar approach of selective oxidation. The new technique is based on the oxidation of a buried AlGaAs layer through a matrix of nano-holes etched in a thin GaAs capping layer. This step is followed by an epitaxial regrowth to continue the structure stacking. Unlike the standard lateral oxidation, the shape of the oxidized areas can by freely designed. Moreover, this new approach increases the integration capability of the devices and provides a better heat removal and mechanical stability.

Mots-Clés / Keywords
Semiconducteurs III-V; Lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSELs); Oxydation humide sélective (AlOx); Confinement électrique et optique; Epitaxie par jets moléculaires; Contraintes mécaniques; III-V semiconductors; Vertical Cavity surface Emitting Lasers (VCSELs); Selective wet oxidation (AlOx); Electrical and optical confinement; Molecular Beam Epitaxy; Mechanical stress/strain;

128853
12742
25/10/2012

Nouvelles approches technologiques pour la fabrication de Lasers à émission verticale dans le moyen infrarouge

Y.LAAROUSSI

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 25 Octobre 2012, 112p., Président: P.ARGUEL, Rapporteurs: X.LETARTRE, A.TALNEAU, Examinateurs: J.P.VILCOT, Directeurs de thèse: G.ALMUNEAU, L.CERUTTI , N° 12742

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00781795

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Abstract

Mid-infrared (MIR), that means the range 2-5 microns of the electromagnetic spectrum has both areas of transparency of the atmosphere and intense absorption lines of gaseous pollutants. The MIR is ideal for developing applications such as analysis of pollutant gases, medical applications or security defense. The purpose of the thesis is to develop a method of lateral confinement, and a mirror based on a sub-wavelength grating high index contrast to incorporate them into a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) antimonide based, for transmission in the MIR. The work is divided into three parts: The first part concerns the wet thermal oxidation of AlAs layers side and AlAsSb. The second part concerns the sub-wavelength grating mirror, designed and constructed based in a GaAs layer, and incorporating AlOx as a low index layer, obtained from AlAs. The last part summarizes these two previous studies to integrate them into a VCSEL emitting around 2.3µm.

Résumé

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.

Mots-Clés / Keywords
MIR; Laser à cavité verticale émettant par la surface; Oxydation thermique humide latérale; Réseau de diffraction sub-longueur d'onde à forte contraste d'indice; Vertical cavity surface emitting lasers; Wet thermal oxidation; Sub-wavelength grating mirror; High index contrast grating;

128929
12651
17/10/2012

Nouvelles architectures de réseaux résonants pour la stabilisation de diodes laser

X.BUET

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 17 Octobre 2012, 129p., Président: T.PARRA, Rapporteurs: O.PARRIAUX, Y.ROUILLARD, Examinateurs: P.ADAM, Directeurs de thèse: F.LOZE-DUPUY, O.GAUTHIER LAFAYE , N° 12651

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00762103

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Abstract

Our study deals with the spectral stabilization of laser diodes by external cavities incorporating a resonant grating filter. The first part of this work concerns the theoretical study of the external cavity and the criteria required for the characteristics of the filter to obtain a monomode emission. The conception and the realization of the different gratings, used in Littrow-like configuration, enable us to stabilize conventional laser diodes with a SMSR above 30dB, though being very sensitive to misalignments due to low angular tolerance of these filters. The second part concerns new types of filters, whose resonant grating is surrounded by two lateral reflectors with half-period. These filters have a wide angular tolerance close to 10°, combined with a nanometric bandwidth, that authorizes a cat’s eye configuration, compact and easy to get working, all the while obtaining a spectral stabilization with a SMSR above 30dB.

Résumé

L’étude porte sur la stabilisation spectrale de diodes laser par des cavités externes incorporant un filtre à réseau résonant. La première partie des travaux concerne la modélisation de la cavité externe et les critères requis sur les caractéristiques d’un filtre pour obtenir une émission monomode. La conception et la réalisation de différents réseaux, utilisés en montage de type Littrow, permettent d’obtenir une stabilisation de diodes conventionnelles avec un SMSR supérieur à 30dB, tout en étant très sensible aux désalignements, en raison de la faible tolérance angulaire de ces filtres. La seconde partie concerne de nouveaux types de filtres, dont le réseau résonant est encadré par 2 réseaux latéraux de demi-période. Ces filtres présentent une grande tolérance angulaire proche de 10°, associée à une largeur spectrale nanométrique, qui autorise un montage en oeil de chat, compact et facile à mettre en oeuvre, tout en obtenant une stabilisation spectrale avec un SMSR supérieur à 30dB.

Mots-Clés / Keywords
Diode laser à cavité externe; Réseau résonnant; Filtre optique; Réinjection optique; External cavity laser diode; Resonant grating; Optical filters; Optical feedback;

128631
12119
17/01/2012

Etude d'un filtre à double réseau résonnant pour spectroscopie embarquée

K.CHAN SHIN YU

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Doctorat : Université Paul Sabatier, Toulouse, 17 Janvier 2012, 132p., Président: A.WALTERS, Rapporteurs: G.GRANET, Y.JOURLIN, Examinateurs: A.MAITRE, Directeurs de thèse: P.ARGUEL, A.L.FEHREMBACH , N° 12119

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00681980

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Résumé

L'objectif de ce travail est la réalisation d'un filtre spectral à fort facteur de qualité (20000), indépendant de la polarisation et accordable en longueur d'onde. Un tel composant répondrait à de nombreux besoins, notamment en imagerie spectroscopique. Pour le réaliser, les réseaux résonnants semblent tout indiqués. En effet, la position du pic de résonance est naturellement accordable en fonction de l'angle d'incidence, et des facteurs de qualité de 10000 sont classiquement atteints. Cependant, en général, la réponse des réseaux résonnants dépend de la polarisation ce qui les limite à des applications où la polarisation est connue. Pour résoudre ce problème, nous adoptons une approche originale mise en œuvre dans une structure innovante comportant deux réseaux 1D croisés. Nous donnons alors un exemple de filtre en réflexion indépendant de la polarisation, accordable sur 100 nm à raison de 8.5 nm/°, avec un facteur de qualité de 13000. Pour un fonctionnement dans le proche infrarouge, nous proposons des matériaux et techniques de la microélectronique sur silicium et montrons qu'il est ainsi possible de fabriquer ces structures avec la précision requise.

Abstract

The aim of this work is to fabricate a high quality factor (20000) spectral filter simultaneously polarization independent and wavelength tunable. Such a device would meet many needs, especially in spectroscopic imaging. For the realization of such a device, resonant gratings are perfectly fitted. Indeed, the position of the resonant peak is naturally tunable by varying the angle of incidence, and quality factors of 10000 are usually attained. However, in general, the spectral response of resonant gratings depends on the polarization, which limits to applications where polarization is known. To solve this problem, we adopt an original approach through an innovative structure consisting of two crossed 1D gratings. Then, we give an example of a polarization independent, reflection filter tunable over 100 nm at a rate of 8.5 nm/° and with a quality factor of 13000. For an application in the near infrared, we propose materials and techniques from the silicon-based microelectronics and we show that it is thus possible to fabricate these structures with the required precision.

Mots-Clés / Keywords
Filtrage spectral; Réseau résonnant; Indépendance à la polarisation; Accordabilité spectrale; Spectroscopie embarquée; Spectroscopie infrarouge; Spectral filter; Resonant grating; Polarization independence; Tunability; Embedded spectroscopy; Infrared spectroscopy;

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