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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 pour repousser les limitations des diodes laser conventionnelles et d'étudier leur faisabilité technologique compatible avec un pompage électrique dans la filière GaAs. Un premier volet présente la conception et la réalisation d'une source laser membranaire constituée par un guide à cristal photonique, émettant à 1µm sous pompage optique. Plusieurs architectures de cavité sont successivement étudiées pour optimiser le comportement spectral. 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, et peu sensible à des effets parasites de réinjection optique. Ces propriétés confirment l'intérêt de cavités à cristaux photoniques pour surpasser les performances spectrales des diodes actuelles. Un second volet s'attache à lever le verrou technologique de la gravure à fort rapport d'aspect dans les alliages AlGaAs. Nous développons une technique de masquage multicouche adaptée aux procédés de gravure plasma du semiconducteur et aux dimensions submicroniques des cristaux photoniques. Nous proposons un procédé de gravure original, enchaînant des cycles de gravure et de passivation. Des profondeurs de gravure de 1.85 µm et 2.48 µm sont respectivement atteintes pour des trous de 165 nm et 300 nm de diamètre dans une hétérostructure conventionnelle de diodes laser. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation de sources à pompage électrique entièrement définies par des cristaux photoniques planaires.

Abstract

Recent progresses in nanotechnologies enable the development of new generations of laser diodes. The goal of this thesis is to demonstrate the interest of photonic crystals to overstep the limitations of conventional laser diodes and to study the technological feasibility of electrically-pumped photonic crystal laser diodes in the AlGaAs/GaAs system. The first part presents the conception and the realization of optically-pumped laser sources on a membrane based on photonic-crystal waveguide. Several designs of cavity are successively proposed to optimize the spectral emission of the laser. We show that combining affine deformation of the photonic crystal and precise control of the width of the defect waveguide enables to achieve stable single-mode lasing together with robustness to optical feedback. These properties confirm the interest of photonic crystal cavities to overcome the spectral performances of conventional DFB laser diodes. The second part focuses on the critical etching of high aspect ratio photonic crystal holes in the AlGaAs system. We first develop a masking strategy involving a multilayer stack which satisfies the technological requirements for deep etching of sub-micrometer structures with an entirely ICP process. Then we propose an original etching process which combines both a passivation phase and an etch phase. Etch depths of 1.85 µm and 2.48 µm are achieved respectively for 165 nm and 300 nm diameter holes in a conventional laser diode heterostructure. These results pave the way towards the realization of all photonic crystal laser diodes compatible with electrical pumping.

Mots-Clés / Keywords

Laser à semiconducteur; Nanophotonique; Optique intégrée; GaAs; Cristaux photoniques; Gravure ionique réactive; Semiconductor lasers; Nanophotonics; Integrated optics; Photonic crystals; Reactive ion etching;

Abstract

We have developed integrated distributed-feedback laser arrays using photonic crystal waveguide on a membrane. They exhibit stable single-mode emission. Using both different lattice constants and a method called affine deformation of the crystal, we obtained extended control over the lasing wavelength. Laser arrays with laser-to-laser wavelength shifts as small as 0.3 nm are achieved.

Abstract

We develop a method of masking to improve the aspect ratio of GaAs-based Photonic Crystals (PhC). The masking consists of the combination of Cr layer with SiO2 layer. A study on the PhC patterning in Cr is performed as well as the optimization of the SiO2 etching for holes ranging from 150 to 250nm.

Résumé

Des lasers tout cristal photonique émettant par la facette fabriqués dans le système (In)GaAs/AlGaAs et fonctionnant en régime de pompage optique sont démontrés. Nous montrons qu'une émission laser stable basée sur un point de fonctionnement de type DFB du second ordre peut être obtenue en utilisant des guides de type W3 (3 rangées de trous manquant). Nous démontrons la faisabilité d'une ingénierie de la longueur d'onde démission obtenue soit par modification du pas du cristal photonique (accord grossier), soit par déformation affine du cristal (accord fin). Nous étudions la sensibilité des cavités étudiées face aux conditions de pompage, à la longueur de cavité, et nous analysons la possibilité d'utiliser des guides plus larges.

Mots-Clés / Keywords

Laser à semi-conducteur; Cristal photonique; DFB;