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Lasers à semiconducteurs
Principe de fonctionnement
Laser « ruban »
VECSELs (laser à émission par la surface)
Lasers à cascade quantique
Applications
Science et génie des matériaux, Romuald Houdré - 2006 /2007
Chapitre 10
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Plan du cours1. Introduction
- Caractéristiques physiques des semiconducteurs
- Quels Matériaux pour quel type d’applications
2. Propriétés électroniques des semiconducteurs
- Structure de bandes
- Statistiques d’occupation des bandes
- Propriétés de transport
- Processus de recombinaison
3. Jonctions et interfaces
- Jonctions métal/semi-conducteurs
- Jonction p-n à l’équilibre, Jonction p-n hors-équilibre
4. Composants électroniques
- Transistors bipolaires
- Transistors à effet de champ
- Dispositifs quantiques
- Nouveaux matériaux
5. Composants optoélectroniques
- Détecteurs
- Diodes électroluminescentes
- Diodes lasers
- Lasers à émission par la surface
- Lasers à cascade quantique
1/3bases
1/3transport
1/3optique
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Laser à semiconducteur:exemple d'application
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Laser, introduction
Laser 2 éléments:
Il existe des modes optiques de la cavité
Ondes stationnaires
1- énergie, longueur d'onde particulière2- profil spatial
Résonateur optique
Amplification S/I = g > 1
Le gain g dépend de la longueur d'onde
Milieu actif avec du gain optique
IS
milieu actif
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Laser, introductionMode optique: la lumière effectue de nombreux aller-retour en phase
cette condition n'est remplie que pour des longueur d'ondes particulières, discrètes m, m entier
ce qui donne lieu à des interférences constructives
m/2
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Processus optiques dans les semiconducteurs
k
BV
émission stimuléeProcessus d'amplification
E (k )BC
Ihh
n2
n1
A at B: coefficients d'Einstein
Les taux d'émission stimulés et spontanés ne sont pas indépendants.
dn2dt
= B12n2Ih =dn1dt
dn1dt
= B21n1Ih =dn2dt
dn1dt
= An1 =dn2dt
absorption
stimulé
spontané
B12 = B21 = B
A
B= 8
n3 2
c 3= 3D
photons
Ils sont reliés par :
densité d'étatn: indice
Recombinaison, émission stimulée
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Laser, introductionSi le gain par aller-retour dépasse les pertes, l'énergie accumulée dans la cavité divergence
L'énergie optique stockée dans la cavité tend vers l'infini
R R'
L
Dans un laser réel. des phénomènes non linéaires arrête cette divergence à une valeur finie (saturation du gain) et gAR, stationnaire gAR, seuil - pertes
gain ARgAR, seuil = |pertes|
Gain
Energie
modesm
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Laser, introductionDans le cas idéal le laser s'enclenche sur tous les modes qui satisfont gAR > pertes
puis un effet de compétition entre modes fait que seul un unique mode subsiste après un temps assez long
Dans la plupart des cas des effets non-linéaires de modulation du gain (spatiallement et spectralement) font que le laser est rarement monomode de lui-même
Spect
re
Energie t=0S
pect
reEnergie t>0
Spect
re
Energie t stat.
Spectre d'émission laser multimode Spectre d'émission laser monomode
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Laser, introductionSchéma d'un laser semiconducteur
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Laser, introduction
Dire que le gain est > 1 signifie que
Emission > Absorbtion
Probabilité 1 e- dans la BC à
k0=kémission
Probabilité 1 trou dans la BV à k0=kémission
X >Probabilité 1 e- dans la BV à k0=kémission
XProbabilité 1 trou
dans la BC à k0=kémission
Soit:
fc(k0) x (1-fv(k0)) > fv(k0) x (1-fc(k0))
Avecfc probabilité d'occupation d'un électron dans la bande de conductionfv probabilité d'occupation d'un électron dans la bande de valence
Loi de Bernard et Durrafourg pour la transparence
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Laser, introduction
Avec EFc et EFv les pseudos-niveaux de Fermi
i = c ou v Remarque: fh = 1-fvfi(E) =1
1+ eE EFikBT
La condition fc(k0) x (1-fv(k0)) > fv(k0) x (1-fc(k0)) devient:
fc(k0) > fv(k0)
C'est à dire :1
1+ eEc (k0 ) EFc
kBT
>1
1+ eEv (k0 ) EFv
kBT
EFc EFv > Ec (k0) Ev (k0)
EFc EFv > h Loi de Bernard et Durrafourg
Loi de Bernard et Durrafourg pour la transparence
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Laser, introductionLa neutralité électrique s'écrit:
Ncfc = Nvfh = Nv(1-fc) fv =1NC
NV
fc < fc
Et donc:fc >
NV
NC + NV
De même:
fh >NC
NC + NV
Si Nc Nv , fc ou fv >0.5, on pompe "inutilement" trop une des bandes
Quelque soit la dimension Nc = Nv <=> me = mh ce qui est rarement le cas
Contrôle de la masse effective (c.a.d. la courbe de dispersion) avec:1 La composition2 Le confinement3 Les contraintes
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Laser, introductionCourbes courant-lumière, L-I
1 Courant de seuil Ith
Deux quantités importantes:
2 Rendement quantique différentiel d =e
h
P
I
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Aperçu
Laser, introductionSeuil et rendement différentiel d'un laser semiconducteur
R1 R2
L
Gain
pertes
Recouvrement entre le mode optique et la zone active
Au seuil le gain pour un aller-retour = pertes
R1R2e2 Le2 gthL =1
Exercice: montrer que le rendement différentiel vaut
d =e
h
P
I=
non radiatif
radiatif + non radiatif
Ln(1
R1R2)
2L + Ln(1
R1R2)
gth = +1
2LLn(
1
R1R2)
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Lasers semiconducteur
Historique
Jth(A/cm2)
Year
15
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Lasers semiconducteur
Laser ruban, cavité
claddingcore
active
vertical confinement:epitaxy
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Lasers semiconducteur
Laser ruban
Confinement latéral par l'indice:
Gravure d'un ruban: Gravure + recroissance:
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Lasers semiconducteur
Laser ruban, zone active
jonction p-n
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Lasers semiconducteur
Laser ruban
1 m x 3 m x 200 m
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Les facettes sont généralement obtenues par clivage de la plaque
Lasers semiconducteur
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Lasers semiconducteur
Laser à puits quantique
Système bidimensionnel
Densité détats en escalier
Densi
té d
éta
ts
Energie
BC
L= quelques nm
Niveaux d'énergie quantifiés
BV
n=1
n=2
n=3
n=1n=2n=3n=4
3 nm
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Lasers semiconducteur
Laser à puits quantique
3D: Beaucoup d'énergie est utilisée pour produire du gain à des longueurs d'ondes supérieures
2D: Le nombre d'états inutilement inversés est réduit, du fait de la forme en escalier de la densité détats.
Le prix à payer: le gain sature
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Lasers semiconducteur
Laser à confinement séparé
Eg
n
électron
mode optique
Puits quantique:
Mauvais confinement
InGaAs
GaAsAlGaAs AlGaAs
GaAs
électron
mode optique
Puits quantique + hétérostructure
Bon confinement:Separate-Confinement Heterostructure, SCH
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Lasers semiconducteur
Laser monomode
• Réduire le nombre de modes à l intérieur du spectre de gain Cavité courte VCSEL
• Introduire des pertes différentes pour les différents modes Lasers DBR, DFB
Techniques pour ne faire laser qu un seul mode:
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Lasers semiconducteur
laser à émission par la surface
Peu de gain par AR Il faut une réflectivité élevée: R 99%
Ex. GaAs (n=3.6) / AlAs (n=3.0), 20 périodes Rtot=99.7%
mirroir 1
mirroir 2
La cavité Fabry-Perot est constituée de deux miroirs de Bragg (empilements de couches quart d’onde)
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0.24 m
Lasers semiconducteur
laser à émission par la surface
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Lasers semiconducteur
laser DFB et DBR
Idée: Longue cavité, mais réflectivité R( )
R( )n 1n 2
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Lasers semiconducteur
laser DFB et DBR
R( )n1n2
Laser DBR-Distributed Bragg Reflector:
zone active mirrormirroir
R( )n1n2
Laser DFB-Distributed FeedBack:
• Pas de distinction zone active-miroir• Plus facile à réaliser
Spectre d'émission laser monomode
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Lasers semiconducteurLaser à cascade quantique
Lasers usuels, interbandes:
Ee1
Ee2
Eh1Eh2
Ee1
Ee2
Eh1Eh2
Lasers intrabandes:
• Emission dans l'infra-rouge IR (3-150 μm)• La longueur d'onde d'émission dépend de la structure du puits quantique, pas de la bande interdite• Temps de vie du niveau supérieur très court (ps) Grand Ith• Comment vider l'état inférieur?
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Lasers semiconducteurLaser à cascade quantique
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Lasers semiconducteurLaser à cascade quantique
"Cascade": Le même électron effectue plusieurs transitions optiques
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Lasers semiconducteurLaser à cascade quantique
Les structures réelles sont extrêmement complexes
Le trait clair correspond à une épaisseur de 4 Å
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