Liquid-phase epitaxy of Pr: LiYF4 for waveguide lasers
épitaxie de LiYF4 dopé Pr pour laser en guide d'onde
Résumé
To achieve miniaturized laser sources based on dielectric materials for integrated photonic devices, this thesis deals with the development of visible compact laser sources based on rare earth doped fluoride waveguides. Several spectroscopic characterizations are detailed, and modified Judd-Ofelt theories were applied to the praseodymium ion, leading to a better description of the visible emission properties. The main part of this work is about the growth of fluoride crystals, using the Czochralski technique to grow bulk crystals, and the liquid phase epitaxy (LPE) to grow layers. This liquid phase epitaxy technique has been optimized to grow high quality fluoride layers, leading to the first visible compact lasers from layers activated with Pr3+, and efficient infrared lasing was obtained using Tm3+. These results are very promising for the integration of more complex laser systems.
Dans un contexte de miniaturisation de sources laser à base de matériaux diélectriques pour des systèmes photoniques intégrés, ce travail de thèse porte sur le développement de sources lasers compactes dans le domaine visible basées sur des guides d'onde de fluorures dopés avec un ion de terre rare, le praséodyme. L'étude de la luminescence de cet ion a permis de confronter la théorie de Judd-Ofelt aux résultats expérimentaux, en proposant des extensions pour mieux décrire le cas particulier de l'ion praséodyme vis-à-vis de cette théorie. La partie centrale de ce travail traite de cristallogenèse des fluorures, d'abord sous forme de cristaux massifs par la méthode de Czochralski, puis sous forme de couches minces déposées par la technique d'épitaxie en phase liquide. Cette technique de croissance a été développée et optimisée au cours de ce travail de thèse, et a conduit à l'épitaxie de couches de fluorures dopés terres rares de qualité optique remarquable. Des couches actives de LiYF4 dopé par les ions de terres rares Pr3+ et Tm3+ ont permis de réaliser des émetteurs lasers compacts émettant dans le visible, ce qui constitue un première. Par ailleurs, des lasers en guide d'onde ont aussi été démontrés dans le proche infrarouge avec une excellente efficacité. Ces résultats ouvrent la voie vers l'intégration de lasers en guide d'onde à des systèmes plus complexes pompés, par exemple, par des diodes à base de InGaN et permettant de réaliser des sources Rouge-Vert-Bleu (RVB) compactes et efficaces. Des lasers impulsionnels très compacts, à hauts taux de répétition dans le proche infrarouge sont aussi directement envisageables en utilisant des dopages Yb3+ ou Tm3+.