I-4 STRUCTURE ELEMENTAIRE D'UN LASER
Le terme « laser
» est un acronyme qui signifie amplification de
lumière par émission stimulée
(light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation). Tout laser est constitué de trois
éléments :
v' Milieu amplificateur : c'est un milieu
optiquement actif qui transforme en photons
l'énergie injectée par le pompage et dans lequel il ya du
gain (émission stimulée).
v' Cavité résonante
: elle est constituée d'une cavité formée de
deux miroirs parfaitement parallèles (faces
clivées contenant l'amplificateur). Elle permet la
rétroaction d'une partie de ces photons sur le milieu qui les a
émis.
v' Source de pompage : il
existe trois types de pompage couramment utilisés dans un laser
à semi- conducteurs.
- Pompage optique.
- Pompage par injection électrique
: c'est une technique standard utilisée dans les solides lasers.
-
Pompage électrique dont la technique est
basée sur le même principe que la cathodoluminescence.
I-
5 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UN LASER
L'amplification optique est obtenuevia le processus
d'inversion de population. Plus
[2] est réalisée lorsque la
particulièrement, cette condition d'amplification
dite de Bernard et Durafourg
séparation des quasi-niveaux de Fermi (qui
caractérisent l'état d'occupation des niveaux) est
supérieure à l'énergie du photon émise
(hí ? E Fc
- EFv) [2] (figure I-
5). Cette amplification utilise le principe de
l'émission stimulée dans une jonction PN polarisée
en direct.
Figure I-5: (a) Diagramme de bande
(b) Structure de sous
bandes[3]
8
Dans les lasers à semi-conducteur, l'inversion de
population est directement produite par injection de porteurs. L'énergie
électrique est alors convertie en énergie optique. Les
transitions optiques s'effectuent entre deux continuums d'énergie
(relatifs aux électrons libres du cristal) la bande de valence et la
bande de conduction. Ces deux états sont séparés par une
bande interdite gap dont l'énergie Eg est dépourvue de
niveaux électroniques. La figure I-6 montre la structure typique d'un
laser à semi-conducteur.
L'injection des porteurs majoritaires dans la jonction PN produit
une inversion de population et provoque :
v' Une émission spontanée.
v' Une émission stimulée.
L'introduction de cette jonction, dans une cavité, permet
d'obtenir, au-dessus d'un certain seuil de polarisation, un gain
supérieur aux pertes de la cavité[3].
Figure I-6 : Structure typique d'un laser à
semi-conducteur
La figure I-7 représente les principales couches d'un
laser à semi-conducteur. La couche amplificatrice (ou couche active) est
entourée de deux zones en matériaux (Ex : InP) dopées
respectivement p (matériaux accepteur d'électrons) et n
(matériau donneur d'électrons). Ces deux régions
présentent l'avantage d'avoir une énergie de bande interdite
importante permettant ainsi le confinement des porteurs dans la couche active
[3].
Figure I-7
: représente les couches principales d'un laser
à semi-conducteur
Pour les
applications aux télécommunications
optiques, des matériaux quaternaires tels que InGaAsP
sont utilisés pour réaliser la couche active. L'amplification est
alors produite sur une plage de
longueur d'onde proche de la longueur d'onde de bande
interdite
avec h la constante de
ë= hc
E g
Planck et c la célérité de la
lumière dans le vide. Ainsi, lorsque les électrons et les trous
sont -n et InP-
respectivement injectés du coté InP p,
ceux_ ci rencontrent une barrière de potentiel au niveau
de l'h étérojonction InGaAsP/InP-p
et InP-
n/InGaAsP. Les porteurs restent donc dans la couche
en
InGaAsP ou se produira le processus de
génération et d'amplification de la lumière.
L'indice de réfraction du matériau actif,
supérieur à c
elui des adjacentes, assure quant à lui
le confinement de la lumière dans la couche active (loi
de Snell-
Descartes). La couche active a une
épaisseur usuelle variant de 0,1 à 0,3
um.
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