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Mise en oeuvre et état de l'art : 
De nombreux travaux ont commencé à défricher les propriétés de base des matériaux InGaAsN (structure électronique, discontinuité de bande, masse effective, propriétés structurelles). Parallèlement, les lasers à puits de GaInNAs nourrissent un fort enthousiasme au sein de nombreux laboratoires, compte tenu des performances obtenues. Nous résumons ci dessous les principaux résultats obtenus ces dernières années sur les lasers émettant par la tranche. 

Une des principales caractéristiques recherchées dans les lasers utilisant des puits quantiques GaInNAs/GaAs, est la faible sensibilité à la température. C’est le fort confinement des porteurs dans ce type de puits qui permet de prévoir une bonne tenue en température du laser. Pour faire le bilan des valeurs du paramètre T0 (caractéristique de cette sensibilité à la température), nous nous appuyons sur des performances de lasers à rubans étroits. 

Laboratoire	Croissance	Landa	Ith	Rendement	Dimensions	T0
		(nm)	(mA)	(W/A)	(µm x µm)	(K)
INFINEON	SSMBE	1280	11	0.39 (dépot HR)	300 x 2.5	75
FURUKAWA	GSMBE	1258	12.4	0.22 (dépot HR)	200x?	157
NANOPLUS	SSMBE	1285	70		800 x 6	158
RICOH	MOVPE	1280	500		1500 x 8	219
LPN	SSMBE	1220	9	0.3	400 x 2	85
OPTO+	MOVPE	1270	220		900 x 15	139

Table 1 : Etat de l’art international

Un des meilleurs résultats rapporté dans la littérature est celui de Furukawa avec T0=157K pour 12,4mA de courant de seuil; toutefois le rendement de ce laser est assez faible (0,22 W/A avec faces traitées) et la longueur d’onde un peu courte (1,258µm). Nanoplus obtient la même valeur de T0 (158K) avec un courant de 20mA à 1.285µm. Les résultats obtenus dans SINTROP’S sont très similaires à ceux de la littérature. Nous observons de fortes dispersions sur la valeur du T0 (entre 76K et 139K). Et nous constatons que ce paramètre ne qualifie pas le matériau de façon intrinsèque ; sa valeur dépend de la géométrie du laser pour une même structure épitaxiale (voir 2ème rapport annuel SINTROP’S). La valeur de 139K mesurée par OPTO+ sur un laser à 1,27µm est pratiquement au niveau de l’état de l’art, et proche de l’objectif fixé ( >150K). De plus, ce même laser présente un rendement différentiel record, qui dépasse les meilleurs résultats publiés (0,4 W/A sans traitement des faces clivées). Le laser à ruban étroit réalisé au LPN présente un courant de seuil record de 9mA, et un rendement de 0,3 W/A, qui satisfont les objectifs visés. Toutefois, la longueur d’onde est trop faible sur cet échantillon. 

Comme on le voit, l'état de l'art international est soit au même niveau (seuil, rendement) soit meilleur (T0) que l'état de l'art sur InP. Nous avons d'ors et déjà pu démontrer dans le cadre du projet SINTROP que, si la filière GaInAsP/InP présente des T0 autour de 50K, l’approche par boites quantiques InAs sur GaAs autour de 55K, et la filière AlGaInAs sur InP autour de 100K, seule la filière GaInNAs permet de dépasser franchement les 100K. A cet avantage, se cumule celui d’une variation de l'énergie de bande interdite moindre avec la température. Ceci se traduit par une variation réduite de la longueur d’onde au gain maximum du matériau avec la température. Sur des lasers Fabry-Pérot, nous avons mesuré un décalage de la longueur d’onde d’émission de 0,4nm/K à comparer à 0,5 nm/K obtenus typiquement pour des lasers GaInAsP. 
L'ensemble de ces caractéristiques fait donc du GaInNAs le meilleur candidat actuel pour la réalisation de lasers DFB émettant à 1,3µm robustes à la température. 

Dans ce nouveau projet, nous proposons d'utiliser les résultats obtenus en nous focalisant sur la réalisation d'un laser adapté aux contraintes des télécommunications optiques. Pour cela; il sera notamment nécessaire de travailler sur la réalisation de lasers à multipuits quantiques utilisant des barrières à contraintes compensées, ce qui constitue une avancée significative dans l'étude des lasers InGaAsN. D'autre part, ce nouveau projet permettra de démontrer qu'il est possible de réaliser sur substrat GaAs des étapes technologiques telles que la gravure de réseaux de rétroaction optique, et cela avec le même contrôle que celui obtenu sur InP. Cette démonstration est essentielle pour permettre l'essort d'une optoélectronique bas-coût basée sur ce type de matériaux. Enfin, la réalisation de composants complexes en InGaAsN et l'étude de leur fiabilité permettra de quantifier l'effort de fiabilisation étant à faire sur ce type de matériau. 

Verrous
La réalisation de lasers directement modulables à la fréquence de 10 Gbit/s demande la réalisation de couches actives à puits quantiques multiples afin de disposer d’un gain différentiel suffisant. Le matériau de puits quantiques GaInNAs adapté à l’émission à 1,3µm est extrêmement contraint en compression. Il est donc indispensable de compenser cette contrainte par des barrières en tension pour pouvoir empiler plusieurs puits, sans création de défauts structuraux. Deux matériaux de barrière seront testés dans le cadre de ce projet : le GaNAs et le GaPAs. Chacun de ces deux ternaires s’épitaxie en tension sur GaAs, avec un ajustement possible de la contrainte avec la composition d’azote ou de phosphore. 
Le GaNAs fournira des hauteurs de barrières inférieures à celles en GaAs, et la composition d’azote devra être limitée à 2-3% pour éviter une dégradation drastique du matériau. Par contre, la présence des mêmes éléments V de part et d’autre des interfaces InGaNAs/GaNAs est favorable à leur raideur. Le GaPAs donne accès à de fortes hauteurs de barrière, favorables à la stabilité en température du gain des lasers. Cependant, la présence d’un troisième élément V apporte une difficulté supplémentaire liée à la formation de l’interface InGaNAs/GaPAs. Ce projet permettra de quantifier précisément les apports et les spécificités de chacun de ces matériaux et d'identifier le type de matériau le plus prometteurs au vu des ambitions du projet. 
Enfin, la réalisation de lasers monomodes suppose l'utilisation d'une technologie de gravure de réseau compatible avec les technologies de réalisation de guide d'onde qui ont été développées lors du programme SINTROPS. Ce type de technologie existe sur InP mais n'est pas développé sur substrat GaAs. Ce programme s'attachera à apporter la technologie de réalisation de DFB sur GaAs à l'état de l'art qui peut être obtenu dans l'optoélectronique InP. 

Organisation du projet : 
La réussite du projet SINTROPS a démontré l'efficacité de la collaboration entre les quatres laboratoires partenaires. Cette coopération permet certes l'addition de moyens technologiques complémentaires tels que des moyens d'épitaxie différents (EJM, MOVPE) ou, dans le cas du présent projet, l'utilisation de technologies compétitives permettant de choisir la meilleure voie de réalisation d'un composant, mais cette coopération permets surtout de dégager des synergies de conception, réalisation et caractérisation de composants qui permettent un gain de temps et d'efficacité dans la poursuite du projet. Ainsi, nous entendons par exemple utiliser de manière couplée les moyens de modélisation matériau développés au LPMC et intégrés aux outils de modélisation de structures verticales du LAAS avec les outils de modélisation de cavité laser du laboratoire OPTO+, permettant ainsi de disposer d'une chaîne complète de conception des démonstrateurs envisagés. Dans le domaine technologique, ce même partenariat permettra d'échanger les structures épitaxiées dans les laboratoires pour effectuer la technologie la plus appropriée à l'obtention de l'objectif final, et l'ensemble des caractérisations effectuées dans les laboratoires partenaires permettra d'obtenir une image complète des caractéristiques physiques du composant, apportant à chaque étape du projet un degré de finesse supplémentaire dans la conception du démonstrateur suivant. 

Le projet est piloté par OPTO+. Il s'articule autour de 3 sous-projets qui prennent en charge la conception, la réalisation et la caractérisation système des composants. 

sous projet 1 : Conception et modélisation des structures lasers 
Ce sous projets utilise les modèles réalisés dans le cadre de SINTROP-S pour concevoir les structures verticales et longitudinales du démonstrateur. Ces modèles seront améliorés de façon itérative tout au long de l'étude pour permettre une prédiction la plus fiable possible des perforamcnes du démonstrateur final. La modélisation s'appuiera sur les caractérisations de matériaux effectuées dans les laboratoires des partenaires. 

sous-projet 2 : technologie laser 
Ce sous projet est chargé de la réalisation pratique des démonstrateurs. Il prend en charge l'épitaxie des matériaux et la caractérisation des couches minces réalisées. Il s'occupe particulièrement de lever les verrous technologiques devant permettre la réalisation de composants optoélectroniques à l'état de l'art sur substrat GaAs. 

sous projets 3 : Caractérisation des émetteurs en condition système 
Les prototypes développés dans le cadre du contrat seront étudiés en conditions système. Notamment, leurs performances seront mesurées pour déterminer leur compatibilité avec la réalisation de têtes optiques industrielles, et une évaluation de la fiabilité des composants à base d'InGaAsN sera réalisée. 

Retombées du projet : 
Les retombées industrielles que l'on peut attendre de ce projet découlent du faible coût prévisible des dispositifs optoélectroniques (discrets et intégrés) réalisés sur GaAs pour le réseau d'accès : 
- absence de régulateurs de température Pelletier 
- simplification de l'électronique associé liée à une faible variation des caractéristiques lasers en fonction de la température 
- substrats de GaAs de plus grande taille que pour InP (15cm de diamètre au lieu de 5cm, soit près d’un facteur 10 de gain sur la surface) 
- meilleures caractéristiques mécaniques et thermiques des substrats GaAs. 

Il est à noter que ce projet vise à demontrer la faisabilité d'un émetteur basé sur InGaAsN compatible avec les normes internationales de télécommunication. Néanmoins, si cette voie est choisie au niveau industriel, un effort de développement de technologies compatibles avec une fabrication industrielle (homogénéité sur l'ensemble de la surface du substrat, fiabilité des composants finaux, adaptation des paramètres de conception visant à augmenter la fiabilité du processing…) sera encore nécessaire pour aboutir à une mise sur le marché de ce type de composant. L'obtention de résultats significatifs sur les lasers 1.3 µm sur substrats GaAs permettra de définir ainsi un programme de développement d'un produit pouvant répondre aux besoins des réseaux métropolitains dans des gammes de débit pouvant aller jusqu'à 4x10 Gbit/s..