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Université Paul Sabatier - Toulouse III (2005-02-10), BARDINAL Véronique (Dir.)
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Technologie et caractérisation des VCSELs à diaphragme d'oxyde. Application à la détection en cavité verticale
Charlotte BRINGER1

Ce travail de thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de lasers à cavité verticale émettant par la surface à diaphragme d'oxyde enterré (VCSELs AlOx) pour les communications optiques et les microsystèmes. Ces composants deviennent de sérieux concurrents aux diodes laser classiques dans les liens de communications à courte distance. De plus, la réalisation de microsystèmes optiques intelligents nécessite de créer des composants photoniques qui soient multifonctions. Ainsi, nos travaux concernent-ils plus particulièrement l'intégration de la photodétection dans une structure VCSEL. Après un rappel sur les fonctions optiques dans les VCSELs, nous discutons des différentes possibilités d'intégration de la détection en cavité verticale. Nous nous penchons ensuite sur la réalisation de sources monomodes émettant à 850~nm pour ces applications. La conception de la structure ainsi que le procédé de fabrication détaillé. Nous insistons sur l'étude des paramètres expérimentaux influençant la qualité de l'oxydation thermique humide, étape technologique cruciale servant à créer le diaphragme d'oxyde enterré. Nous exposons les choix technologiques effectués puis nous présentons les bancs de mesures utilisés. Les caractérisations optiques et électriques permettent de mettre en évidence l'amélioration des performances de ces composants et d'identifier les limitations actuelles. Nous exposons le principe des détecteurs en cavité résonante puis déclinons chaque géométrie verticale explorée : photodétecteur simple, VCSEL standard et BiVCSEL. Le comportement spectral mesuré sur chacun de ces composants est rapporté et discuté. La détection latérale entre VCSELs voisins est ensuite étudiée du point de vue théorique et expérimental. Le principe physique mis en jeu dans cette étude originale est le guidage optique de l'émission spontanée entre VCSELs voisins partageant la même cavité. Les résultats de nos mesures électriques et optiques sont exposés. La principale applic ation de ce nouveau système de détection concerne l'asservissement de la puissance émise par le VCSEL. Enfin, nous concluons sur les apports des diverses géométries adoptées et ouvrons sur les perspectives.
1:  LAAS - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse]
Semiconducteurs III-V – Laser à cavité verticale émettant par la surface – Emission monomode – Attaques chimiques humides sélectives – Microsystème optique – Oxydation thermique humide – Emission spontanée – Photodétection en cavité verticale – Détection intégrée

This work deals with the fabrication and the characterization of buried oxide-confined vertical-cavity surface-emitting lasers for optical communications and microsystems. The introduction presents a review on current research topics on materials as well as VCSEL integration in microsystems. Several ways to associate the photodetection function in the vertical structure of a VCSEL are then detailed. We first focus on the realization of single mode sources laser at 850 nm for these applications. Vertical structure design and process are detailed. We expose our technological choices for the fabrication of the devices, especially on the realization of the oxide aperture, and present the experimental set-up used for the characterizations. Optical and electrical measurements show the improvements of the VCSELs characteristics and allows for identify current limitations. Further, we explain the principle of resonant cavity enhanced detector and then describe each detailed vertical geometry: single photodetector, VCSEL and BiVCSEL. Measured spectral behaviors on each device are shown and discussed. Lateral detection is then theoretically and experimentally studied. The physical principle involved in this original study is the optical waveguiding of spontaneous emission between neighboring VCSELs sharing the same cavity. Results of our electrical and optical measurements are exhibited. The main application of this new detection system concerns the VCSEL power monitoring. Finally, we conclude on the results obtained and on further improvements of this work.
Semiconductor III-V – Vertical-cavity surface-emitting laser – Single mode emission – Selective chemical wet etchings – Optical microsystems – Wet thermal oxidation – Spontaneous emission – Vertical-cavity photodetection – Integrated detection

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