Modélisation et simulation du gain optique et du courant de seuil d'un laser à puits quantique contraint à base de GaxIn1-xNy As1-y /GaAs

Abstract

Ce travail de thèse a pour objet la mise en oeuvre d'une méthode de calcul des états liés dans les structures à puits quantiques contraints de structures GaInAs/GaAs et GaInNAs/GaAs. Il participe ainsi à l'amélioration des outils de simulation permettant d'optimiser les composants avant leur réalisation. Nous présentons le modèle physique utilisé ainsi que les différentes méthodes couramment employées pour le calcul de ces états. La finalité de ce calcul est l'évaluation de la longueur d'onde d’émission, du gain du matériau, du courant de seuil et de la puissance optique des éléments de base de la simulation des composants. Cependant, la présence de zones quantiques peut nécessiter une approche par la matrice de densité pour rendre compte, de manière plus précise, des phénomènes de transport. Pour finir, nous présentons les résultats de la caractérisation de la puissance optique à la sortie des diodes laser à puits quantique contraint, des VCSELs (émettant à 980nm,1.3μm et 1.55μm) et de DFB émettant à 1.55μm de type Fabry-Pérot. La présentation de ce travail comprend quatre chapitres. Le premier chapitre présente le modèle physique utilisé pour le calcul du gain et comporte un rappel sur les états électroniques dans les semiconducteurs et notamment dans les structures à puits quantiques. Nous détaillons ensuite notre approche pour le calcul de ces états, objet de ce travail de thèse. Dans le deuxième chapitre, nous présentons les modèles physiques du simulateur dans lequel nous avons intégré le calcul du gain optique pour des structures contraintes GaInAs/GaAs. Nous calculerons d’abord l’évolution de l’énergie de transition, la longueur d’onde pour aboutir à celui du gain optique en fonction de la longueur d’onde, et en faisant varier différents paramètres (composition d’alliage, largeur du puits). Nous terminerons enfin par le calcul du courant de seuil et la puissance optique émise à la sortie du laser. Dans le troisième chapitre, nous étudions l’influence de l’incorporation de l’azote sur les propriétés de la structure GaInAs/GaAs. Nous reprenons ainsi le calcul de l’énergie de transition, du gain optique, du courant de seuil et de la puissance optique. Le quatrième chapitre concerne la caractérisation de composants laser. Nous mesurons et traçons l’évolution de la puissance en fonction du courant d’injection pour les lasers: DFB1.55μm, les VCSELs 0.980, 1.3 et 1.55μm. Cette partie a été réalisée au niveau du laboratoire d’électronique, microélectronique et de nanotechnologie (IEMN) de Lille1, (France).