Diodes laser émettant à 894nm, sans aluminium dans la région

Diodes laser émettant à 894nm, sans aluminium dans la région active, pour
horloges atomiques compactes au Césium
N. von Bandel, J. Bébé Manga Lobé, M. Garcia, A. Larrue, Y. Robert, E. Vinet, M. Lecomte, O.
Drisse, O. Parillaud, M. Krakowski
III-V Lab, Campus Polytechnique, 1 Avenue Augustin Fresnel 91967 Palaiseau
[email protected], [email protected]
RÉSUMÉ
Les applications temps-fréquence nécessitent des horloges de haute précision et haute stabilité à
un coût raisonnable. Les horloges atomiques au Césium sont actuellement considérées comme les
mieux adaptées à ces exigences. Or, la stabilité de ces horloges repose pour beaucoup sur les
performances en bruit des sources laser de pompage. Dans ce contexte, le III-V Lab contribue au
développement de modules à base de diodes laser pour ces applications, au sein du projet européen
Euripides « LAMA ». Nous assumons notamment le développement de diodes laser à rétroaction
répartie (DFB) émettant à 894 nm (pompage de la raie D1 du Césium) et 852 nm (raie D2). Ces
modules doivent présenter à la fois une faible largeur de raie (<1 MHz), une excellente fiabilité et une
insensibilité au retour de lumière. A ce titre, nous présentons pour la première fois des résultats issus
de structures « lasers larges » sans aluminium dans la région active, pour une émission DFB prévue à
894nm. Nous montrons des pertes internes de 2,6cm-1 et des rendements différentiels externes en faces
brut de clivages de 0,44W/A à 20°C. Une étude de confinement optique est également menée.
1. PRESENTATION DE LA STRUCTURE LASER POUR DFB A 894NM
La réalisation de DFB (Diode Distributed Feedback) émettant à 894nm et 852nm s’appuie sur
l’expérience acquise par le laboratoire dans ce domaine sur les diodes à base d’arséniure de gallium, à
faible bruit [1]. Il a été ainsi développé un nouveau puits quantique à base de GaInAsP de gain spectral
adéquat pour atteindre un fonctionnement de diode à 894nm. La structure, présentée ci-après, ne
comporte pas d’aluminium dans la région active (figure 1).
Fig.1: Structure épitaxiale des diodes laser pour DFB à 894nm
2. RESULTATS SUR LASERS LARGES
Des lasers larges, de largeur de 100µm et de longueurs de 2, 3 et 4mm, tous bruts de clivage,
ont été réalisés pour tester les propriétés de la structure épitaxiale. Nous avons pu extraire à l’aide de
mesures en courant continu, pour des longueurs de cavité de 2mm, des courants de seuil à 20°C de
l’ordre de IS=400mA, soit une densité de courant au seuil de JS=200A/cm2, ainsi qu’un rendement
différentiel externe moyen ηd=0,43W/A par facette. En ce qui concerne la stabilité du courant de seuil
en température et la stabilité du rendement externe en température, nous relevons, respectivement, des
températures caractéristiques T0=128°C et T1=750°C (figure 2). Nous pouvons également extraire les
paramètres internes de la structure de part l’étude des grandeurs caractéristiques en fonction de la
longueur de cavité. Nous estimons ainsi les pertes internes totales αi=2,6cm-1, le coefficient de gain
modal ΓG0=7,7cm-1 et la densité de courant à la transparence J tr= 85A/cm2 (figure 3). En ce qui
concerne l’émission du même laser à 20°C, nous observons un pic centré à 884nm, de largeur à mihauteur Δλ=2nm, valeur courante pour ce type de laser.
20°C: IS=393mA - D=0.44W/A
500
40°C: IS=446mA - D=0.42W/A
60°C: IS=515mA - D=0.40W/A
Puissance (mW)
400
300
T0=128°C
T1=750°C
200
20°C
40°C
60°C
100
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Courant (mA)
7,0
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
894 nm
αint = 2,6cm-1
ηq,int = 90 %
6,5
Ln (Jth)
(hq,ext)-1
Fig.2: Caractéristique Puissance/Courant d’un laser large de 100µm par 2mm, faces brutes de clivage,
pour différentes températures de fonctionnement
6,0
894 nm
ΓG0 = 7,7cm-1
J0 = 85 A/cm2
5,5
5,0
4,5
4,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Longueur (cm)
0,5
0
5
10
15
1/L (cm-1)
20
25
Fig.3: Extraction des paramètres internes de la structure 894nm
3. CONCEPTION OPTIQUE
En prévision de la seconde étape, qui est la fabrication de laser ridge/DFB, une étude optique a été
menée afin d’évaluer les dimensions du guide d’onde à graver dans le matériau pour obtenir un
faisceau laser monomode spatial (TE00) et obtenir l’indice effectif du mode en question (neff~3,27)
(figure 4). Cette valeur d’indice est ensuite utilisée pour calculer le pas du réseau de Bragg du second
ordre gravé dans la structure afin d’obtenir l’émission monomode spectrale à 894nm (Λ=273,5nm)
(figure 5). Le calcul du facteur de couplage réseau κ par la méthode des deux indices effectifs est mené
de concert.
Fig.4: Etude du guidage optique dans la structure ridge. Le facteur de recouvrement énergétique Γ sur le puits
quantique est d’environ 1%
3,27
3,268
3,266
3,264
3,262
3,26
3,258
coupure
SYMPHOT 11/04/2014 16:14:25 ALCOR BOX : 'SOLUTIONMOD1' VAR :INTEN 3
Title
gravure=2,1µm
2
coupure
gravure=2µm
gravure=1,9µm
1
1,5
Fig.5: Calcul du pas de réseau du 2nd ordre
0.03
0.07
0.10
0.13
0.17
0.20
0.23
0.27
0.30
0.33
0.37
0.40
0.43
0.47
0.50
0.53
0.57
0.60
0.63
0.67
0.70
0.73
0.77
0.80
0.83
0.87
0.90
0.93
0.97
coupure
Vertical coord Y (µm)
indice effectif
Etude de coupure (1er mode d'ordre supérieur)
2
2,5
3
0
3,5
1
2
3
4
5
6
4
7
8
9
10
11
4,5
12
13 14 15 16 17
Lateral coord X (µm)
Ridge w (µm)
5
18
19
20
21
22
5,5
23
24
25
26
27
28
6
29
30
Fig.6: Etude de coupure des modes supérieurs
L’étude de la largeur de coupure des modes supérieurs montre qu’en gravant moins de 1,9µm, le laser
reste monomode TE jusqu’à des largeurs de ridge w=3,5µm. Au-delà de 3,5µm, le mode à deux lobes
peut exister dans la cavité, même si son seuil laser est beaucoup plus élevé. La valeur de couplage
kappa pour ces jeux de paramètres est d’environ κ=6cm-1. Pour une longueur de cavité L=2mm,
κ*L=1,2, valeur qui doit permettre un bon fonctionnement DFB.
CONCLUSION
Nos premiers résultats sur la diode laser à 894nm sont encourageants. Nous sommes
actuellement en phase de réalisation des diodes DFB, qui montreront leurs premiers résultats au
courant de l’été 2014.
RÉFÉRENCES
[1] (C. Cayron, V. Ligeret, P. Resneau, Y. Robert, O. Parillaud, M. Lecomte, M. Calligaro, S.
Bansporun, J. Nagle, M. Krakowski, “High-power, high-reliability, and narrow linewidth, Al-free
DFB laser diode, for Cs pumping (852nm)”, Photonics West 2010).