Introduction au laser à semi-conducteur à émission par la surface à cavité verticale (VCSEL)

Introduction à l'émission par la surface d'une cavité verticalelaser à semi-conducteur(VCSEL)
Les lasers à émission de surface à cavité externe verticale ont été développés au milieu des années 1990 pour résoudre un problème clé qui a entravé le développement des lasers à semi-conducteurs traditionnels : comment produire des sorties laser de haute puissance avec une qualité de faisceau élevée en mode transversal fondamental.
Lasers à émission de surface à cavité externe verticale (Vecsels), également connus sous le nom delasers à disque semi-conducteur(SDL), sont un membre relativement nouveau de la famille des lasers. Il peut concevoir la longueur d'onde d'émission en modifiant la composition du matériau et l'épaisseur du puits quantique dans le milieu de gain semi-conducteur, et combiné au doublement de fréquence intracavité, il peut couvrir une large gamme de longueurs d'onde allant de l'ultraviolet à l'infrarouge lointain, obtenant une puissance de sortie élevée tout en maintenant une faible divergence. Faisceau laser symétrique circulaire à angle. Le résonateur laser est composé de la structure DBR inférieure de la puce de gain et du miroir de couplage de sortie externe. Cette structure de résonateur externe unique permet d'insérer des éléments optiques dans la cavité pour des opérations telles que le doublement de fréquence, la différence de fréquence et le verrouillage de mode, faisant de VECSEL un outil idéal.source laserpour des applications allant de la biophotonique, à la spectroscopie,médecine au laseret projection laser.
Le résonateur du laser semi-conducteur à émission de surface VC est perpendiculaire au plan où se trouve la région active, et sa lumière de sortie est perpendiculaire au plan de la région active, comme le montre la figure. Le VCSEL présente des avantages uniques, tels qu'un petit taille, haute fréquence, bonne qualité de faisceau, grand seuil de dommages à la surface de la cavité et processus de production relativement simple. Il présente d'excellentes performances dans les applications d'affichage laser, de communication optique et d'horloge optique. Cependant, les VCsels ne peuvent pas obtenir de lasers de haute puissance au-dessus du niveau du watt, ils ne peuvent donc pas être utilisés dans des domaines nécessitant une puissance élevée.

Le résonateur laser du VCSEL est composé d'un réflecteur de Bragg distribué (DBR) composé d'une structure épitaxiale multicouche de matériau semi-conducteur sur les côtés supérieur et inférieur de la région active, ce qui est très différent dulaserrésonateur composé d'un plan de clivage en EEL. La direction du résonateur optique VCSEL est perpendiculaire à la surface de la puce, la sortie laser est également perpendiculaire à la surface de la puce et la réflectivité des deux côtés du DBR est bien supérieure à celle du plan de solution EEL.
La longueur du résonateur laser du VCSEL est généralement de quelques microns, ce qui est bien inférieur à celle du résonateur millimétrique de l'EEL, et le gain unidirectionnel obtenu par l'oscillation du champ optique dans la cavité est faible. Bien que la sortie fondamentale en mode transversal puisse être obtenue, la puissance de sortie ne peut atteindre que quelques milliwatts. Le profil de section transversale du faisceau laser de sortie VCSEL est circulaire et l'angle de divergence est beaucoup plus petit que celui du faisceau laser à émission latérale. Pour obtenir une puissance de sortie élevée du VCSEL, il est nécessaire d'augmenter la région lumineuse pour fournir plus de gain, et l'augmentation de la région lumineuse fera du laser de sortie une sortie multimode. Dans le même temps, il est difficile d'obtenir une injection de courant uniforme dans une grande région lumineuse, et l'injection de courant inégale aggravera l'accumulation de chaleur perdue. En bref, le VCSEL peut produire le point symétrique circulaire en mode de base grâce à une conception structurelle raisonnable, mais le la puissance de sortie est faible lorsque la sortie est en mode unique. Par conséquent, plusieurs VCsels sont souvent intégrés dans le mode de sortie.