Caractérisation et modélisation optoélectronique de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL)

0038 French OPEN
Rissons, Angélique (2003)
  • Subject: VCSEL | Schéma électrique équivalent | Paramètres S | Modélisation | Datacom | Télécom | Electrical equivalent circuit | S parameters | Modeling | Telecom | 621

Ce travail a consisté à étudier le comportement de VCSELs en régime statique et dynamique. Après avoir présenté la structure du VCSEL, nous avons établi un système d’équations d’évolution du nombre de porteurs et de photons incluant la contribution de l’émission verticale et des puits quantiques. Ces équations ont été résolues pour obtenir le nombre de photons et de porteurs en fonction d’un minimum de paramètres intrinsèques. La première étape expérimentale a porté sur la caractérisation statique de la diode laser afin de déterminer sa zone de fonctionnement. Nous nous sommes ensuite intéressés à la modélisation dynamique du VCSEL. Inspirés du schéma électrique équivalent petit signal d’une diode laser conventionnelle, nous avons établi celui d’un VCSEL en représentant ses particularités telles que la contribution des miroirs de Bragg et des puits quantiques sous forme de cellules RC parallèles. Le modèle a été élaboré en comparant les équations du circuit électrique équivalent et les équations d'évolution linéarisées. Les éléments parasites dus à la connectique et au support de test ont été ajoutés à ce modèle intrinsèque de puce laser. Finalement, la validation a été effectuée grâce aux mesures du paramètre S11 et du paramètre S21. Après avoir cherché à valider le modèle sur des VCSELs en boîtier, des résultats concluants ont été obtenus grâce a des mesures sous pointes sur des barrettes de VCSELs en structure implantée ou à diaphragme d’oxyde, ce qui nous a permis d’extraire des valeurs convenables pour les paramètres intrinsèques. This thesis describes the investigation of the static and dynamic VCSEL behaviour. After having described the VCSEL structure, the VCSEL rate equations of the photon and carrier numbers are developed by adapting the rate equations of an edge emitter to a quantum well and vertical emitting laser. These equations are solved to obtain the photon and carrier number according to a minimum of intrinsic parameters. Our first experimental study is related to the VCSEL, static characteristics to determine the ideal region of this component. We are then interested in the dynamic modeling of the VCSEL by adapting the small signal rate equations of an edge emitter to the VCSEL. The specificity of this model is the representation of Bragg reflector and quantum Well contribution by RC-parallel elements. The equations of the active region circuit are identified with the linearized rate equations, so that the small signal equivalent circuit parameters are determined versus the intrinsic parameters. Parasitic elements due to-the package or the test fixture are added to this model. Finally, the different stages of the model validation are developed. After having measured S11 and S21 parameters of several TO packaged VCSELs, good results are obtained by the test with RF probes of oxideconfined VCSEL arrays allowing us to extract realistic values of intrinsic parameters.
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