Laboratory for Photonics and Nanostructures
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Elaboration and Physics of Epitaxial Structures > Planar heterostructures for wave engineering (PHeW)
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PHeW

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Puce Group ELPHYSE

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Objectives

  • Epitaxy and characterization of planar heterostructures based on III-V semiconductors for wave (photon, phonon, electron, plasmon, polariton) engineering
  • Advanced device fabrication



LPN has a long experience in the growth of III-V semiconductors on GaAs and InP substrates by metal-organometallic vapor phase epitaxy (MOVPE) and molecular beam epitaxy (MBE). Part of our expertise concerns the fabrication of microcavities based on distributed Bragg mirrors and containing various active materials, such as quantum wells and quantum dots (QDs) with optical transitions tuned in the near and mid infrared ranges. Various functionalities may be sought for, such as high quality factor cavities for quantum optics, vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) operating under optical or electrical pumping, saturable absorber mirrors for non-linear optical functions, or cavities and filters for THz acoustics phonons. Other complex planar structures are realized for cascade emission in the mid infrared and Bloch oscillators in the THz domain. Finally, for plasmonics, novel epitaxial structures are designed, implemented and combined with metallic patterns at the sample surface.

The expertise of ELPHYSE is not limited to epitaxy. We also analyze the samples by transmission electron microscopy, X ray diffraction and infrared and photoluminescence spectroscopies. Some of us are also actively involved in technological developments for device fabrication. The structures and devices are dedicated to studies (GOSS, PEQ and PHODEVgroups of LPN) or external collaborations.



Highlights

  • High power, high efficiency, low noise, single frequency compact VECSEL emitting at 980 nm
  • Single-frequency ring-laser gyroscope based on a diode-pumped VECSEL
  • Single frequency diode-pumped VECSEL for atomic clock aplications
  • Surface-plasmon distributed-feedback quantum cascade lasers emitting at 7.3 µm
  • Electrical generation of surface plasmon polaritons based on (In,Al)As/(In,Ga)As quantum cascade structures
  • Surface-emitting single-mode quantum cascade lasers with high-contrast photonic crystal resonators operating up to 220 K
  • Generation of short laser pulses (<10 ps) at 1.55 µm via (In,Ga)(As,N)/GaAsN fast saturable absorber mirrors
  • High output power (> 100 mW CW) 1.55µm VCSEL with hybrid metal-GaAs/AlAs metamorphic mirror
  • Evidence for exciton-plasmon strong coupling regime in GaAs quantum wells located below a metallic surface
  • Ultra-high finesse microcavities
  • Phononic filters and cavities for THz acoustic waves


Photonic cristal plasmon laser for the mid infrared

Collaborations

  • A. Garnache and coll., IES, Montpellier
  • D. Dolfi and coll., G. Feugnet and coll., Thales Research and Technology, Palaiseau
  • G. Lucas-Leclin and coll., IOGS, Palaiseau
  • Institut Langevin, ESPCI, Paris
  • R. Colombelli and coll., S. Sauvage, P Boucaud, J. Mangeney, IEF, Orsay
  • C. Sirtori and coll., S. Ducci and coll., MPQ, U. Paris
  • X. Marie, LNMO, INSA Toulouse ⇒ Spin relaxation in diluted III-V-N nitrides
  • J. Mangeney, IEF, Unviversité Paris Sud 11, Orsay ⇒ Diluted III-V-N saturable absorber for optical THz generation
  • B. Perrin, B. Jusserand and coll., INSP, Paris
  • J. Bellessa and coll., LPMCN, U. Lyon 1


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Puce Members

Contacts

 Sagnes Isabelle  (+33) 1 69 63 61 71  
 Lemaitre Aristide  (+33) 1 69 63 60 72  
 Harmand Jean-Christophe  (+33) 1 69 63 60 81  

And also...

 Beaudoin Gregoire  (+33) 1 69 63 62 45  
 Travers Laurent  (+33) 1 69 63 60 65  
 Mauguin Olivia  (+33) 1 69 63 61 07  
 Patriarche Gilles  (+33) 1 69 63 61 73  
 Largeau Ludovic  (+33) 1 69 63 61 74  
 Braive Remy  (+33) 1 69 63 60 49  
 Le Gratiet Luc  (+33) 1 69 63 60 63  
 Lafosse Xavier  (+33) 1 69 63 60 73  
 Gomez Carmen  (+33) 1 69 63 60 66  
 Gozhyk Iryna  (+33) 1 69 63 61 76  

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Puce Patents

  • Vertical External Cavity Surface Emitting Laser devices allowing high coherence, high power and large tunability, A. Garnache, M. Myara, I. Sagnes, G. Beaudoin, L. Ferrières, V. Lecocq, S. Denet, EP14305752, (2014-05-21)
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Puce Publications

Publication in journals
Publications in books
  • , J.-C. Harmand, Dilute Nitride Semiconductors, by M. Henini, Elsevier 2005 , (2005)
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Puce Contracts and projects

    Puce International Projects

      GONG : Gyrometre Optique de Nouvelle Generation

      Reference contract : ESA
      LPN leader(s): Isabelle Sagnes
      Main goals : L’objectif est de valider l’approche novatrice proposée par TRT c’est à dire l’utilisation d’un milieu amplificateur à l’état solide pour réaliser des gyrolasers. Le LPN réalisera cet amplificateur en matériaux semiconducteurs. Partenaires : Projet porté par Thales TRT, LPN, IES. (2007-2008)

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    Puce ANR non thématiques

      RE-LINQ : Resonant non-linearities of Quantum cascade lasers

      Reference contract : ANR Blanc
      LPN leader(s): Isabelle Sagnes
      Main goals : Partners : LPA and MPQ. (2012-2015)

      INSPIRE : INjection of Spin for PolarIzed Radiation Emission

      Reference contract : ANR Blanc
      LPN leader(s): Aristide Lemaitre
      Main goals : (2010-2013)

      MICPHIR : Nouveaux MIcro-emetteurs a Cristaux-PHotoniques moyen-IR coherent accordable de puissance

      Reference contract : ANR Blanc 2010
      LPN leader(s): Isabelle Sagnes
      Main goals : L’objectif du projet MICPHIR est de surpasser les limitations des lasers monofréquences moyen-IR (2-3 µm) à semiconducteur et à l’état solide. Le but est de développer un nouveau composant photonique fonctionnel de haute cohérence spatiale/temporelle de forte puissance basé sur les technologies des semiconducteurs III-V Sb et GaAs (VCSEL, cristaux photoniques, membrane). L’application principal visée est un capteur multi-gaz compact utilisant des techniques de spectroscopie d’absorption CRDS (Cavity Ring-Down Spectroscopy). Ce système permettra de réaliser un capteur de gaz pour des applications allant de l’environnement, la climatologie, la sécurité industrielle, la biologie, la médecine. Pour surpasser les limitations des capteurs - utilisant des lasers DFB -, le consortium MICPHIR veut développer une source laser dans la configuration VECSEL (Vertical-External-Cavity Surface Emitting Laser), alliant compacité, large accordabilité, haute puissance et haute cohérence spatiale/temporelle. L’étude physique complète sera réalisée (qualité de front d’onde, bruit d’intensité, largeur de raie, dynamique) afin d’extraire les paramètres physiques critiques. Un VECSEL est un laser à semi-conducteur formé par un 1/2 VCSEL - composé d’un miroir de haute réflectivité et d’une zone de gain à puits quantiques -, un gap d’air de ~cm, et classiquement un miroir concave diélectrique qui ferme la cavité (coupleur de sortie). Ce projet MICPHIR a pour but, dans une première étape, de repousser les performances de ce type de laser : l’objectif est d’atteindre de fortes puissances (>100mW) en conservant un faisceau TEM00 pour des diamètres >100 µm et une faible largeur de raie, ceci en environnement sévère (température); régler le problème des sauts de modes et rendre sa polarisation stable insensible au feedback. Ces améliorations seront obtenues grâce à de nouveaux ingrédients physiques et technologiques: grâce à une gestion thermique du 1/2-VCSEL par collage, à de nouvelles structures à puits quantiques émettant jusqu’à 2.8 µm, et d’autre part grâce à un composant miroir à cristaux photoniques/effet plasmon à semiconducteur GaAs (coupleur de sortie) présentant de nouvelles fonctionnalités. Parmi ces fonctionnalités, on peut compter: un filtre accordable en longueur d’onde pour éviter les sauts de mode, et/ou un filtre à plasmons pour contrôler l’état de polarisation; un miroir à lentille diffractive pour contrôler et stabiliser le mode transverse fondamental dans une cavité sub-millimétrique. Dans une dernière étape, ce composant sera intégré dans un micro-support en matrice silicium, afin d’obtenir un micro-système laser totalement fonctionnel et robuste pour les éventuelles applications. L’objectif final est de tester ce micro-émetteur dans un système CRDS multi-gas à haute sensibilité. Ce capteur permettrait la détection et l’analyse de gaz in-situ des molécules d’intérêt suivantes: CH4, NH3, HF, NO2, CO, isotopes H2O, CO2. Ces nouveaux concepts et propriétés de composants seront généralisables à d’autres gammes spectrales pour applications photoniques variées. Partenaires : Projet porté par Arnaud Garnache de l’IES, LPN, D-LightSys, IOGS. (2010-2013)

      2POLEVF : Two-POLarisation VECSEL for the generation of two-Frequency beams

      Reference contract : ANR BLANC 2007
      Coordinator, Partner(s) : L. Morvan (TRT ),
      LPN leader(s): Isabelle Sagnes
      Main goals : Dans le cadre de ce projet, nous proposons de développer un laser à semiconducteur pompé optiquement, émettant deux fréquences distantes de 9,2 GHz autour de 852 nm, pour simplifier le banc optique des horloges atomiques à Césium de type CPT (Coherent Population Trapping). Le laser à semiconducteur émettant par la surface en cavité externe (VECSEL) étudié dans ce projet fournira, en une seule source compacte, les mêmes fonctions qu’un banc conventionnel à 852 nm : deux fréquences optiques cohérentes en phase et séparées de 9.2 GHz, de polarisations linéaires orthogonales, et de spectre optique ultra pur sans raie parasite. Les principaux objectifs de ce projet sont : - démontrer expérimentalement l’oscillation bi-fréquence et bi-polarisation d’un VECSEL, - réaliser un VECSEL bi-fréquence à 852 nm, incluant un contrôle de chaque fréquence, - mettre en oeuvre cette source dans une expérience d’horloge basée sur le piégeage cohérent de population (CPT) d’atomes de césium. Projet porté par Thales TRT, IOTA, LPN, Observatoire de Paris. (2007-2011)

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    Puce ANR RNRT

      TONICS : Technologies d'échantillonnage linéaire et non-linéaire pour applications en conversion analogique - numérique et en transmission à très haut débit

      Reference contract : ANR RNRT
      LPN leader(s): Jean-Louis Oudar
      Main goals : L’objectif du projet est de développer et valider la technologie d’échantillonnage optique pour réaliser, d’une part, la conversion analogique numérique d’un signal millimétrique à 40 et 60 GHz, et d’autre part un dispositif de mesure de diagramme de l’oeil et de constellation d’un signal numérique à très haut débit (40 Gbit/s et au-delà). (2006-2008)

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    Puce ANR PNANO

      ROOTS : Room temperature THz Bloch amplifiers/oscillators

      Reference contract : ANR P2N
      Coordinator, Partner(s) : J. Mangeney (LPA ), R. Ferreira (LPA )
      LPN leader(s): Christophe Minot, Jean-Christophe Harmand
      Main goals : Development of tunable amplifiers/oscillators based on Bloch oscillations in semiconductor superlattices at THz frequencies and room temperature (2009-2012)

      DELIGHT : Deterministic light matter coupling

      Reference contract : ANR P3N 2009
      LPN leader(s): Pascale Senellart
      Main goals : L’objectif de ce projet est la fabrication déterministe, compatible avec une production grande échelle, de sources de photons uniques efficaces à base de boites quantiques semiconductrices ou de nanocristaux de semiconducteurs (2009-2012)

      SONORE : photo-thermo-acoustic microscopy of a single quantum dot

      Reference contract : ANR PNANO
      Coordinator, Partner(s) : S. Sauvage (IEF ),
      LPN leader(s): Aristide Lemaitre
      Main goals : In this basic research SONORE project we propose to investigate the ultrasmall absorption of a single semiconductor quantum dot with /no photon detection/. We will apply and investigate an extremely sensitive and high spatial resolution absorption imagery based on the local detection of /acoustic phonons /and/ thermal deformation/. The ultrasmall absorption will be both spectrally and spatially resolved in a sub-wavelength regime (~l/150), from the near to the midinfrared spectral range from room temperature to low temperature. The absorption imagery and localized spectroscopy will use an atomic force microscope (AFM) coupled to a pulsed laser excitation. The acoustical and thermal contribution of a single quantum dot to the instrument response will be explored theoretically and experimentally, from room temperature to low temperature. (2009-2011)

      SCOP : Strong COupling in Plasmonics

      Reference contract : ANR PNANO
      Coordinator, Partner(s) : J. Bellessa (LPMCN ),
      LPN leader(s): Aristide Lemaitre
      Main goals : value (2008-2010)

      METAL GUIDE : Metallic waveguides for mid-infrared quantum cascade lasers

      Reference contract : ANR PNANO 2006
      Coordinator, Partner(s) : R. Colombelli (IEF ), M. Carras (TRT ), C. Sirtori (MPQ )
      LPN leader(s): Isabelle Sagnes
      Main goals : This research proposal aims at (i) developing low-loss surface-plasmon-based waveguides for mid-infrared semiconductor lasers (5 µm < l < 16 µm, InGaAs/AlInAs and InAs/AlSb material systems) and corresponding high performance devices, (ii) adding novel functionalities to quantum cascade lasers (surface sensing, single-mode emission, tunability …) by the sole patterning of the device metal contacts, without the need for complicated etch-and-regrowth procedures, and (iii) solving the problem of the lack of convenient laser waveguides for QC lasers in the InAs/AlSb material system. The implementation of new spectral functionalities on Quantum Cascade mid-infrared lasers – such as single mode emission, wavelength tunability…- is of great importance for spectroscopic applications. It has traditionally borrowed concepts and techniques from the telecoms, but these technologies are often challenging from a technical point of view. We propose a radical simplification. The simpler alternative we propose consists in the implementation of efficient metallic (surface-plasmon) waveguides at mid-infrared wavelengths. This approach would allow one to borrow ideas and technologies from the extensive know-how already existing and well developed for the THz and microwave ranges of the electromagnetic spectrum. Partners : Project carried by Raffaele Colombelli from IEF, Paris 7, LPN, Alcatel-Thales 3-5 Lab, IES. (2007-2010)

      MIREV : Nouveaux composants photoniques a membrane pour le Moyen-Infra-Rouge a Emission Verticale

      Reference contract : ANR PNANO 2005
      LPN leader(s): Isabelle Sagnes
      Main goals : L’objectif du projet est de développer des micro-émetteurs lasers capables de générer une onde monochromatique (1kHz) accordable (1THz) de grande pureté et stabilité spectrale, spatiale (circulaire TEM00) et temporelle, à fort taux d’extinction de l’émission spontanée (40dB), ceci dans la gamme de longueur d’onde 2-2.7µm en régime continu à 300K puis au delà de 3µm par la suite. Pour générer de tels faisceaux lasers avec des puissances >>1mW avec des composants robustes et fonctionnels, nous proposons d’exploiter les lasers à émission verticale (VCSELs) en cavité étendue à semiconducteurs antimoniures, pompé optiquement par diode commerciale 800nm, puis électriquement par la suite. Les nouvelles structures à gain seront à base de puits quantiques de type I. Ces structures seront intégrées dans des cavités étendues avec des filtres à membrane InP/air ou AlGaAs. L’objectif du projet est de concevoir et d’étudier les structures verticales à gain large, les miroirs à filtre spectral intégré, les configurations de cavité, de réaliser au plan technologique les dispositifs, d’étudier leur émission monofréquence accordable (largeur de raie, dynamiques non-linéaires…), et surtout de réaliser un système pour une application à la spectroscopie d’absorption à haute sensibilité pour l’analyse et la détection de trace de gaz d’intérêts (environnement, climatologie, biologie, médecine, sécurité industrielle...). Des applications médicales, pour l’aide au diagnostic et la chirurgie, et aux télécommunications optiques aériennes sont également visées. Partenaires : Projet porté par Arnaud Garnache de l’IES, LPN, LSP, LMOPS. (2005-2008)

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    Puce Other National Projects

      PhLARE : Photonic-crystal micro-laser arrays for the mid-infrared

      Reference contract : RTRA
      LPN leader(s): Isabelle Sagnes
      Main goals : L’objectif de ce projet est le développement de matrices bidimensionnelles de micro sources laser à émission par la surface, fonctionnant à température ambiante et dans la gamme spectrale du moyen infrarouge (5 µm < lambda < 15 µm). Les lasers seront basés sur l’architecture à cascade quantique, tandis que les micro résonateurs exploiteront les structures à cristaux photoniques. Le fonctionnement à température ambiante, et l’optimisation des performances (augmentation de la puissance émise, réduction du courant de seuil…), exploiteront le savoir faire en termes de conception et de fabrication récemment développé par le LPN et l’IEF. Le 2eme objectif – plus exploratoire – sera d’utiliser les propriétés des modes photoniques sur lesquels le laser fonctionne (il s’agit des états de bord-de-bande de la structure photonique) pour obtenir une accordabilité en fréquence et une plus grande puissance de sortie. Partenaires : Projet porté par le LPN, IEF. (2010-2013)

      OISEAUX : Oscillateurs de Bloch à super-réseaux

      Reference contract : contrat RTRA Triangle de la Physique
      Coordinator, Partner(s) : J. Mangeney (LPA )
      LPN leader(s): Jean-Christophe Harmand
      Main goals : Oscillations de Bloch dans des super-réseaux à semiconducteurs : Ces oscillations de Bloch peuvent-elles êtres auto-entretenues et fournir du gain optique? (2009-2012)

      GLACE : GyroLaser A Cavité Etendue et Semiconducteur pompé Electriquement

      Reference contract : DGA PREI contrat de recherche n° 07.34.007.00.470.75.65
      Coordinator, Partner(s) : G. Feugnet (TRT ), A. Garnache (IES )
      LPN leader(s): Isabelle Sagnes
      Main goals : L’objectif est de valider l’approche novatrice proposée par TRT c’est à dire l’utilisation de milieux semi-conducteurs pour réaliser des gyrolasers. Des travaux à TRT ont validé l’utilisation de matériaux laser solide cristallin pour réaliser des gyrolasers malgré la nature homogène des transitions lasers considérées. Il s’agira de vérifier, dans un laser en anneau à milieu semi-conducteur, l’existence d’une émission bidirectionnelle, de quantifier le comportement en rotation et de le comparer à un modèle théorique partiel existant déjà pour le compléter ou le corriger et enfin démontrer l’observation d’un signal Sagnac lors de la mise en rotation. Dans cette étude, nous privilégions les diodes laser à émission par la surface, VECSEL. La configuration VECSEL comprend une structure verticale « 1/2-VCSEL » incluant le milieu amplificateur à semi-conducteur en couche mince, intégré sur le miroir plan de fond de cavité hautement réfléchissant (R> 99.8%). La cavité s’étend dans l’air et est fermée par un miroir concave de sortie de cavité également très réfléchissant. Ces sources sont plus favorables à l’émission mono fréquence que les diodes en forme de ruban classique. Notons que le couplage d’une diode laser classique en forme de ruban dans une cavité externe optique est complexe et induit des pertes. Au cours de cette étude, et en parallèle à l’optimisation de la géométrie de la cavité sur des ½ structures à gain émettant à 1µm pompée optiquement, des structures (milieu à gain émettant vers 1µm) pompé électriquement sont étudiées. En supprimant la diode de pompage, on se rapproche, d’un point de vue système, à une solution intégrée équivalente aux gyrolasers HeNe dans lesquelles le gain est créé par une décharge dans la cavité. Partenaires : Projet porté par Thales TRT, LPN, IES. (2007-2010)

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    Puce Cnano contrat

      TWILIGHT : Two photon state engineering with semiconductor sources of quantum light

      Reference contract : C'NANO
      LPN leader(s): Aristide Lemaitre
      Main goals : (2010-2011)

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Puce Past and current Internship Training

Post-docs


  • Fabrication et mesures de lasers à 1,3µm sur GaAs

  • A. Caliman-(2000-11-01 / 2001-10-31)
    Contact : J.-C. Harmand
    Group : Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
    More
    Post doctorat

  • Croissance et étude des alliages à faible concentration d'azote

  • L. Li-(2001-09-01 / 2003-06-30)
    Contact : J.-C. Harmand
    Group : Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
    More
    Post doctorat

  • Réalisation de VCSELs InP/air pompés électriquement

  • M. Strassner-(2002-10-15 / 2004-12-31)
    Contact : I. Sagnes
    Group : Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
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    Post doctorat

  • Optimisation de la croissance de puits quantiques GaInNAs pour laser à 1,3µm

  • D. Jahan-(2003-09-01 / 2004-05-28)
    Contact : J.-C. Harmand
    Group : Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
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    Post doctorat

  • Sources V-E-CSEL à 1,55µm en pompage électrique en cavité externe pour la génération d'impulsions courtes à haute cadence (>10GHz)

  • M. El Kurdi-(2003-11-01 / 2004-11-01)
    Contact : S. Bouchoule , I. Sagnes
    Group : Photonic devices (PHODEV)
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    Post-doctorat - L'objet du stage post-doctoral est d'utiliser des structures laser de type 1/2-VCSEL en pompage électrique en cavité externe pour réaliser des micro-émetteurs à 1,55µm capables de générer des impulsions picosecondes de grande stabilité spectrale et temporelle, à fort taux d'extinction et à haute cadence (10-50GHz). Il s'agit notamment d'étudier des configurations de cavité externe de longueur 15mm-3mm pour les cadences >10GHz.

  • Electric pumping of half--VCSEL at 980 nm for application to the solid gyrolaser

  • A. Michon-(2008-10-01 / 2010-09-30)
    Contact :
    Group : Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
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    L′objectif de l′étude soutenue par la DGA dans le cadre d′un contrat de recherche est de valider l’approche novatrice proposée par TRT c’est à dire l’utilisation de milieux semi-conducteurs pour réaliser des gyrolasers. Le post-doctorant prendra en charge la réalisation et la caractérisation de 1/2 VCSEL pompé électriquement sur un large diamètre (>100µm) et émettant à 980nm. Il s′agira ensuite de vérifier, dans un laser en anneau à milieu semi-conducteur, l’existence d’une émission bidirectionnelle, de quantifier le comportement en rotation et de le comparer à un modèle théorique et enfin de démontrer l’observation d’un signal Sagnac lors de la mise en rotation. (01/08/2007-31/07/2010)

  • Nouvelle technologie de structures semiconductrices pour l'émission monofréquence de puissance de lasers à semiconducteur pompé optiquement à 852 nm

  • I. Gozhyk-(2012-11-01 / 2014-04-30)
    Contact : I. Sagnes , G. Lucas-Leclin , G. Beaudoin
    Group : Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
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    Le travail porte sur 2 directions (sur VECSELs à 850 nm):
    - gestion de la thermique des structures (le procédé de report du substrat en salle blanche), et
    - amélioration du design de la structure (simulations du distribution du champ dans VECSEL).
    Dans les deux cas, les tests d'effet laser sont effectués à l'Institut d'Optique. En collaboration avec le LCF.

PhDs


  • Matériaux innovants pour l'émission à 1,3µm sur GaAs

  • G. Ungaro-(1998-10-01 / 2001-10-25)
    Contact : J.-C. Harmand
    Group : Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
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    Thèse de Doctorat

  • Dispositifs à base de nitrures III-V

  • R. Mouillet-(2001-01-01 / 2004-03-22)
    Contact : J.-C. Harmand
    Group : Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
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    Thèse de Doctorat

  • Absorbant saturable innovant sur GaAs pour la régénération optique à haut débit

  • M. Le Du-(2003-10-01 / 2006-10-01)
    Contact : J.-C. Harmand , J.-L. Oudar
    Group : Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
                Photonic devices (PHODEV)
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    L’industrie des télécommunications prépare activement la reprise économique avec pour objectif de présenter aux clients des produits performants, robustes mais d’un coût réduit. En particulier dans les lignes régénérées de transmission optique de longue distance, qui mettent en œuvre de manière systématique le multiplexage en longueur d'onde (WDM), il est impératif de disposer de nouveaux régénérateurs optiques qui remplissent ces exigences. Dans le cadre de deux projets RNRT, ASTRE et ASTERIX (démarré en 2002), il a été démontré que l’absorbant saturable est un candidat intéressant. L’absorbant saturable idéal est une porte optique commandée optiquement : la puissance optique incidente de niveau haut sature l’absorption (état passant), alors que le bruit associé au niveau bas de la commande est absorbé (état bloquant). Sa fonction principale est d’améliorer le rapport signal à bruit du signal optique à traiter. La thèse visera l’optimisation d’un tel dispositif avec notamment les objectifs suivants : réduire les pertes d’insertion, abaisser la puissance de commutation, et élargir la bande passante optique. Dans une première phase, l’activité se focalisera sur des aspects matériaux : il s’agira de réaliser en épitaxie par jets moléculaires (EJM) des structures absorbantes à 1,55µm insérées dans une cavité optique. Pour la cavité, on se propose d’utiliser des miroirs de Bragg en GaAs et AlAs oxydé. Ce couple de matériaux présente un excellent contraste d’indice, bien supérieur à ce que l’on peut obtenir avec d’autres couples d’alliages III-V. Ce choix impose de travailler sur un substrat de GaAs. Le matériau absorbant sera constitué de puits quantiques d’alliage GaInNAs(Sb). Cet alliage, original et assez complexe, est étudié depuis peu au LPN. C’est un des rares alliages qui permette l’émission et l’absorption à 1,55µm sur substrat de GaAs. La présence d’azote pourra être exploitée pour ajuster la durée de vie des recombinaisons non radiatives. Cette durée de vie a un rôle primordial puisqu’elle fixe la vitesse de réponse du dispositif. Une autre caractéristique importante est la raideur du front d’absorption du matériau. Pour son optimisation, on utilisera l’effet surfactant de l’antimoine pendant la croissance des puits quantiques. Cet effet permet d’améliorer la qualité cristalline et optique des puits extrêmement contraints qui seront à étudier. Dans cette première partie du travail, on s’appuiera donc sur les acquis du laboratoire pour développer les points suivants : Technologie des miroirs GaAs/ AlAs oxydé (croissance, gravure, oxydation latérale par voie humide) Maîtrise des puits quantiques GaInNAs(Sb) à 1,55µm (contrôle de la durée de vie par la concentration d’azote, optimisation du front d’absorption par les conditions de croissance) La deuxième phase de l'activité sera consacrée à l'étude du dispositif, en relation avec la fonctionnalité visée. Les caractéristiques optiques relatives à la structure en microcavité seront étudiées et comparées à ce qui est attendu sur un plan théorique, notamment en ce qui concerne la bande passante optique et le facteur d'atténuation à l'état bloquant (faible puissance incidente). Le comportement du dispositif en régime dynamique sera étudié, notamment pour son fonctionnement en tant que porte optique commandée optiquement. En particulier l'utilisation d'un banc de mesure basé sur la technique pompe-sonde permettra de mesurer des paramètres essentiels tels que le temps de réponse, le contraste et la puissance de commutation, les pertes d'insertion (facteur d'atténuation à l'état passant). Enfin les fonctionnalités systèmes du dispositif pourront être testées par des expériences mettant en oeuvre des signaux optiques à haut débit (10 à 40 Gbit/s), par la mesure de paramètres tels que le facteur d'amplification du taux d'extinction, l'amélioration du facteur de qualité du signal détecté, etc. Le travail de thèse s’effectue dans le cadre du projet OPSAVE (Opto+/LPN), cofinancé par le ministère de l’industrie (MINEFI), Alcatel, et le Conseil Général de l’Essonne.

  • Amplification paramétrique sur puce; vers le traitement tout optique du signal

  • A. Martin-(On going since 2013-11-01)
    Contact : F. Raineri , I. Sagnes
    Group : Nonlinear Photonic and Quantum Information (PHOTONIQ)
                Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
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