Introduction à la cavité verticale émettant par la surfacelaser à semi-conducteur(VCSEL)
Les lasers à cavité externe verticale émettant par la surface ont été développés au milieu des années 1990 pour surmonter 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 cavité externe verticale émettant par la surface (Vecsels), également connus sous le nom delasers à disque semi-conducteur(SDL), un élément relativement récent de la famille des lasers, permet de moduler la longueur d'onde d'émission en modifiant la composition du matériau et l'épaisseur du puits quantique du milieu de gain semi-conducteur. Combiné au doublage de fréquence intracavité, il couvre une large gamme de longueurs d'onde, de l'ultraviolet à l'infrarouge lointain, permettant d'obtenir une puissance de sortie élevée tout en maintenant un faisceau laser circulaire symétrique à faible angle de divergence. 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 unique du résonateur externe 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 un outil idéal.source laserpour des applications allant de la biophotonique à la spectroscopie,médecine au laser, et projection laser.
Le résonateur du laser à semi-conducteur à émission de surface VC est perpendiculaire au plan de la région active, et sa lumière de sortie est perpendiculaire à ce plan, comme illustré sur la figure. Le VCSEL présente des avantages uniques, tels qu'une petite taille, une fréquence élevée, une bonne qualité de faisceau, un seuil d'endommagement de surface de cavité élevé et un procédé de fabrication relativement simple. Il présente d'excellentes performances dans les applications d'affichage laser, de communication optique et d'horloge optique. Cependant, les VCsels ne permettent pas d'obtenir des lasers de haute puissance dépassant le niveau du watt, ce qui les rend inadaptés aux domaines exigeants en puissance.
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 cette surface, 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. Le gain unidirectionnel obtenu par l'oscillation du champ optique dans la cavité est faible. Bien qu'une sortie en mode transverse fondamental soit possible, la puissance de sortie ne peut atteindre que quelques milliwatts. Le profil de section transversale du faisceau laser de sortie du VCSEL est circulaire et l'angle de divergence est bien inférieur à celui d'un faisceau laser à émission latérale. Pour obtenir une puissance de sortie élevée du VCSEL, il est nécessaire d'augmenter la zone lumineuse afin d'obtenir un gain accru. Cette augmentation transformera le laser de sortie en sortie multimode. Parallèlement, il est difficile d'obtenir une injection de courant uniforme dans une grande zone lumineuse, et une injection de courant irrégulière aggravera l'accumulation de chaleur résiduelle. En résumé, le VCSEL peut produire un spot symétrique circulaire en mode fondamental grâce à une conception structurelle raisonnable, mais la puissance de sortie est faible en mode monomode. Par conséquent, plusieurs VCEL sont souvent intégrés au mode de sortie.
Date de publication : 21 mai 2024