Le laser décrit précédemment, dans la configuration où nous avons inséré le cristal biréfringent, opère naturellement en régime multimode longitudinal, caractérisé par une émission spectrale large de 11 nm centrée à 1540 nm que nous avons tracée à la Figure4.21(a). Le spectre du faisceau est mesuré avec un analyseur de spectre optique (ASO) dont la résolution spectrale est de
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0,5 nm. Lorsqu’on mesure le spectre d’émission avec un ASO de plus haute résolution, 0,05 pm, nous pouvons observer l’intervalle spectral libre du laser qui vaut 0,0096 nm (1,3 GHz). Ainsi, nous pouvons déduire avec précision la longueur de la cavité, qui vaut : 𝐿 = 11,28 cm.
Figure 4.21 : Spectres multimodes du VECSEL acquis avec différentes résolutions : (a) résolution de 0,5 nm pour obtenir le spectre d’émission complet, et (b) résolution de 0,05 pm pour visualiser l’ISL de la cavité.
Nous avons également mesuré la puissance émise par le VECSEL en fonction de la puissance de pompe. La courbe caractéristique obtenue est présentée à la Figure 4.22.
Figure 4.22 : Evolution de la puissance en sortie du VECSEL en fonction de la puissance de pompage, dans la limite de celle-ci. Pour ces mesures, le cristal biréfringent est déjà inséré.
Dans cette condition, le laser a une puissance incidente de seuil à 200 mW (11,7 kW/cm²). A cause des composants intracavité déjà présents et de la petite taille du spot de pompe, la puissance totale émise atteint 14,7 mW pour une puissance de pompe incidente de 1050 mW (61 kW/cm²). De plus, nous utilisons volontairement un coupleur de sortie de grande réflectivité (99,5%), pour préparer la cavité aux futures mesures de couplage. Dans cet intervalle de puissance de pompe, nous n’observons pas de roll-over thermique, impliquant une bonne évacuation de la chaleur. Il est à
157 noter que la structure semiconductrice n’étant pas traitée antireflet pour la longueur d’onde de la pompe, nous mesurons donc que seule une moitié de la puissance incidente est transmise au milieu actif.
Le VECSEL à PQs présente ainsi des caractéristiques satisfaisantes, dont une puissance suffisante pour les caractérisations du prochain chapitre, et une plage spectrale satisfaisante pour pouvoir effectuer des mesures en fonction de l’écart spectral entre les deux modes sur une dizaine de nm. Enfin, à la sortie du coupleur, deux spots séparés sont visibles avec la carte infrarouge, ce qui indique que les deux polarisations peuvent osciller simultanément (confirmé par un système de caractérisation optique et d’un polariseur, détaillé dans le chapitre suivant).
4.4.2 Le VECSEL à boites quantiques
4.4.2.1 Mesures préliminaires sur notre montage
En ce qui concerne le ½-VCSEL à BQs, dont la structure est rappelée à la Figure 4.23(a), les premiers essais ont été réalisés sans diamant (ni intracavité, ni sous le DBR car le substrat a été conservé). Le substrat GaAs, tout de même aminci de 350 à 100 μm, est collé directement à la pâte thermique sur le support en cuivre refroidi par le Peltier. Bien que la puce soit installée dans les mêmes conditions que le ½-VCSEL à PQs (également avec le cristal biréfringent inséré), et que le pompage soit dans la zone optimale par rapport aux mesures précédentes (sur le bord, voir Figure 4.23(b)), nous n’avons pas obtenu l’émission laser.
Figure 4.23 : (a) Schéma de la puce ½-VCSEL à BQs. (b) Schéma situant la zone de pompage sur le quart de plaque lors des essais. (c) Photographie prise au microscope de la puce ½- VCSEL à BQs, après montée en puissance (jusqu’à 800 mW). La taille des impacts correspond au diamètre de pompage.
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Nous avons remarqué que la puce a fini par être endommagée après de multiples tentatives de pompage à différents endroits dans la zone optimale, comme le montre la Figure 4.23(c). L’endommagement, visible au microscope, se produit systématiquement au-delà d’une puissance de 500 mW, soit 29 kW/cm², et est susceptible d’apparaitre à partir de 340 mW, soit 20 kW/cm². Ces puissances sont pourtant relativement faibles comparées aux puissances que supporte la puce à PQs, dont le seuil est à 11,7 kW/cm² ; elle n’a en effet subi aucun endommagement même à 61 kW/cm² de pompage. Cet endommagement prouve une mauvaise dissipation de la chaleur [280].
4.4.2.2 Caractérisations réalisées par l’université de Tampere
Le quart de plaque qui a été fourni à l’université de Tampere, a contrario, a été placé sur un dissipateur en diamant monocristallin intracavité. Cette architecture a permis d’obtenir l’émission laser avec d’excellents résultats que nous allons détailler [281]. Pour dissiper la chaleur, chaque puce rectangulaire de 2,7 × 2,7 mm2 clivée à partir de la plaque est collée par capillarité à un
diamant intracavité de 3 × 3 × 0,35 mm3. Le montage de la cavité et du diamant intracavité est schématisé à la Figure 4.24.
Figure 4.24 : Schéma de la configuration en V de la cavité de l’université de Tampere [281]. La structure ½-VCSEL provenant du bord de plaque est représentée avec le diamant intracavité.
La cavité VECSEL est une cavité en V comportant deux miroirs (sans compter le DBR). Le miroir intermédiaire est de très grande réflectivité (> 99,8%) et de rayon de courbure de 20 cm. La cavité est fermée par un coupleur de sortie plan, de réflectivité de 99%. Un filtre biréfringent de 0,5 mm d’épaisseur, placé en incidence de Brewster, permet de figer la polarisation du laser. Elle permet, en outre, d’accorder les longueurs d’onde du laser.
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Afin d’obtenir de très fortes puissance de sortie, le VECSEL est pompé avec une diode laser à 980 nm dont le spot focalisé sur la puce est de très grande dimension : ~ 220 µm de diamètre. Le diamètre du mode est de 190 µm sur la zone active. La puce est montée sur une plaque en cuivre refroidie thermo-électriquement, la maintenant à 15°C, en contact direct sur le diamant. Les caractéristiques de puissance de sortie et les spectres correspondants, mesurés sur deux puces, sont présentés à la Figure 4.25.
Figure 4.25 : Caractéristiques de puissance du VECSEL, pour deux puces provenant de différents endroits du quart de plaque. L’insert du bas est le spectre des deux puces au seuil. L’insert du haut montre le spectre de la puce 2 sous 1,3W et 18 W de puissance incidente de pompe [281].
Grâce à cette configuration privilégiant les fortes puissances de sortie, la puissance maximale de sortie est mesurée à 2,2 W sous 24 W (126 kW/cm²) de puissance incidente de pompe, pour un seuil laser atteint dès 1,4 W (7,4 kW/cm²) de puissance incidente. Les deux puces ne sont pas totalement identiques, comme nous l’avons vu avec les cartographies de la partie4.2.2. Ces légères différences sont notamment dues aux variations de l’épaisseur de la zone active sur la plaque. Ces variations entrainent un décalage entre la résonance de la microcavité et du pic de PL, et donc une émission de puissance plus faible et décalée en longueur d’onde.
Quant à l’accordabilité du VECSEL, les résultats obtenus en tournant légèrement le filtre biréfringent sont reportés sur la Figure 4.26. L’accordabilité de la longueur d’onde des deux puces est importante : 60 nm. Ces mesures réalisées pour une puissance de pompe incidente de 6 W (31,6 kW/cm²).
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Figure 4.26 : Courbes d’accordabilité de la longueur d’onde. L’insert est le profil du faisceau acquis sous une puissance incidente de 22 W (116 kW/cm²) [281].
Cette étude a permis d’obtenir le premier VECSEL à BQs émettant à 1,52 μm avec de fortes puissances de sortie de 2,2 W (pour des BQs) et une très large accordabilité de 1482 à 1542 nm, soit 60 nm. Ces résultats sont très prometteurs pour l’émission bi-fréquence, et nous prévoyons donc d’utiliser un diamant intracavité sur notre montage pour les prochaines manipulations.