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

Introduction aux détecteurs à émission de surface par 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 surmonter un problème clé qui a entravé le développement des lasers semi-conducteurs traditionnels : comment produire des puissances laser élevées avec une qualité de faisceau élevée en mode transverse fondamental.
Les lasers à émission de surface à cavité externe verticale (Vecsels), également connus sous le nom delasers à disque semi-conducteursLes lasers à double couche (SDL) sont une famille de lasers relativement récente. Ils permettent de concevoir la longueur d'onde d'émission en modifiant la composition et l'épaisseur du puits quantique dans le milieu amplificateur semi-conducteur. Associés au doublage de fréquence intracavité, ils couvrent une large gamme de longueurs d'onde, de l'ultraviolet à l'infrarouge lointain, et atteignent une puissance de sortie élevée tout en conservant un faisceau laser à faible divergence et à symétrie circulaire. Le résonateur laser est composé de la structure DBR inférieure de la puce amplificatrice et du miroir de couplage de sortie externe. Cette structure de résonateur externe unique permet l'insertion d'éléments optiques dans la cavité pour des opérations telles que le doublage de fréquence, la différence de fréquence et le verrouillage de mode, faisant du VECSEL une solution idéale.source laserpour des applications allant de la biophotonique à la spectroscopie,médecine laseret la projection laser.
Le résonateur du laser à semi-conducteur à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) est perpendiculaire au plan de la région active, et son faisceau de sortie est également perpendiculaire à ce plan, comme illustré sur la figure. Le VCSEL présente des avantages uniques : taille réduite, haute fréquence, bonne qualité de faisceau, seuil d'endommagement de surface de la cavité élevé et procédé de fabrication relativement simple. Il offre d'excellentes performances pour les applications d'affichage laser, de communication optique et d'horlogerie optique. Cependant, les VCSEL ne permettent pas d'atteindre des puissances supérieures au watt, ce qui limite leur utilisation dans les domaines exigeant une forte puissance.

Le résonateur laser du VCSEL est composé d'un réflecteur de Bragg distribué (DBR) constitué d'une structure épitaxiale multicouche de matériau semi-conducteur sur les faces supérieure et inférieure de la région active, ce qui est très différent dulaserLe résonateur est constitué d'un plan de clivage dans l'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 beaucoup plus élevée que celle du plan de la solution EEL.
La longueur du résonateur laser d'un VCSEL est généralement de quelques microns, bien inférieure à celle du résonateur millimétrique d'un EEL. Le gain unidirectionnel obtenu par oscillation du champ optique dans la cavité est faible. Bien que la sortie en mode transverse fondamental soit possible, la puissance de sortie n'atteint que quelques milliwatts. Le profil de la section transversale du faisceau laser de sortie du VCSEL est circulaire et son angle de divergence est bien inférieur à celui d'un laser à émission par la tranche. Pour obtenir une puissance de sortie élevée avec un VCSEL, il est nécessaire d'augmenter la zone d'émission afin d'accroître le gain. Or, cette augmentation de la zone d'émission induit une émission multimode. Parallèlement, il est difficile d'obtenir une injection de courant uniforme dans une grande zone d'émission, et une injection de courant non uniforme aggrave l'accumulation de chaleur résiduelle. En résumé, un VCSEL peut produire un spot circulaire symétrique en mode fondamental grâce à une conception structurelle appropriée, mais la puissance de sortie reste faible en mode unique. C'est pourquoi plusieurs VCSEL sont souvent intégrés pour obtenir le même mode de sortie.