Antimonide-based monofrequency laser emitting at 2.6 µm for gas sensing
Lasers monofréquences à base de GaSb émettant à 2,6 µm pour l'analyse de gaz
Résumé
This work deals with the study and development of single-frequency semiconductor laser diodes emitting at 2.6 µm. In order to analyze carbon dioxide and water vapor by tunable diode absorption spectroscopy, the components must present a single mode emission in lateral, transverse and longitudinal directions. Laser diodes, made at the laboratory, had before this work a single mode-emission only under certain conditions of temperature and current.
The first part of this thesis explains the principle and properties of antimonide-based laser diodes and presents the gas sensing method.
The second part shows the improvements of technological steps necessary to achieve a single-mode emission in the lateral and transverse direction. As far as the etching step is concerned, a study of other etching solutions and a setting up of a stop layer is presented.
The lateral-coupling DFB technology is exposed in the third part. It permits to obtain a single-mode emission in the longitudinal direction. This technique has been adapted to our materials during this work and consists in realizing a metallic Bragg grating on each side of the laser ridge.
The last part shows results of the components with classical and DFB technologies. We have obtained laser diodes emitting at 2.6 µm in continuous wave regime at room temperature. The DFB technology leads to sensible improvements on the emission of these components making them well adapted for gas sensing.
This work has led to obtain laser diodes with good electrical and optical properties for carbon dioxide and water vapor analysis. It has allowed gaining an experience in a novel technology with excellent future prospects.
The first part of this thesis explains the principle and properties of antimonide-based laser diodes and presents the gas sensing method.
The second part shows the improvements of technological steps necessary to achieve a single-mode emission in the lateral and transverse direction. As far as the etching step is concerned, a study of other etching solutions and a setting up of a stop layer is presented.
The lateral-coupling DFB technology is exposed in the third part. It permits to obtain a single-mode emission in the longitudinal direction. This technique has been adapted to our materials during this work and consists in realizing a metallic Bragg grating on each side of the laser ridge.
The last part shows results of the components with classical and DFB technologies. We have obtained laser diodes emitting at 2.6 µm in continuous wave regime at room temperature. The DFB technology leads to sensible improvements on the emission of these components making them well adapted for gas sensing.
This work has led to obtain laser diodes with good electrical and optical properties for carbon dioxide and water vapor analysis. It has allowed gaining an experience in a novel technology with excellent future prospects.
Cette thèse porte sur l'étude et le développement de diodes laser à semi-conducteurs monofréquences émettant à une longueur d'onde de 2,6 µm. Afin de pouvoir analyser la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone par spectroscopie d'absorption par diodes laser accordables, les composants laser doivent présenter une émission monomode dans les directions transverse, latérale et longitudinale. Les lasers, fabriqués au laboratoire, présentaient au début de cette thèse un fonctionnement monofréquence à 2,6 µm que sous certaines conditions de température et de courant.
Ce manuscrit met l'accent sur les améliorations apportées à la fabrication des diodes laser.
Apres avoir décrit dans une première partie le principe et les propriétés des lasers à antimoniures et de la méthode d'analyse de gaz, le second chapitre expose l'optimisation des paramètres technologiques dans le but d'obtenir une émission monomode latérale et transverse. L'amélioration de l'étape de gravure y est présentée avec l'étude d'autres solutions d'attaque et la mise en place d'une couche d'arrêt.
La mise au point de la technologie DFB à couplage latéral permettant d'obtenir une émission monomode longitudinale est présentée dans le troisième chapitre. Cette technique, adaptée sur GaSb au cours de cette thèse, consiste pour l'essentiel à déposer de part et d'autre du ruban laser un réseau de Bragg métallique qui joue le rôle d'un filtre fréquentiel.
La dernière partie expose l'ensemble des résultats sur les composants laser. Les composants à ruban étroit présentent une émission au dessus de 2,6 µm pour un fonctionnement en continu et à température ambiante. La technologie DFB apporte des améliorations notables sur les propriétés d'émission des composants.
Ce travail a permis d'une part d'obtenir des composants lasers présentant les propriétés requises par l'application et d'autre part de faire acquérir au laboratoire un savoir-faire technologique riche en perspectives pour l'avenir.
Ce manuscrit met l'accent sur les améliorations apportées à la fabrication des diodes laser.
Apres avoir décrit dans une première partie le principe et les propriétés des lasers à antimoniures et de la méthode d'analyse de gaz, le second chapitre expose l'optimisation des paramètres technologiques dans le but d'obtenir une émission monomode latérale et transverse. L'amélioration de l'étape de gravure y est présentée avec l'étude d'autres solutions d'attaque et la mise en place d'une couche d'arrêt.
La mise au point de la technologie DFB à couplage latéral permettant d'obtenir une émission monomode longitudinale est présentée dans le troisième chapitre. Cette technique, adaptée sur GaSb au cours de cette thèse, consiste pour l'essentiel à déposer de part et d'autre du ruban laser un réseau de Bragg métallique qui joue le rôle d'un filtre fréquentiel.
La dernière partie expose l'ensemble des résultats sur les composants laser. Les composants à ruban étroit présentent une émission au dessus de 2,6 µm pour un fonctionnement en continu et à température ambiante. La technologie DFB apporte des améliorations notables sur les propriétés d'émission des composants.
Ce travail a permis d'une part d'obtenir des composants lasers présentant les propriétés requises par l'application et d'autre part de faire acquérir au laboratoire un savoir-faire technologique riche en perspectives pour l'avenir.
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