c.i Dissipation de la chaleur dans la structure VECSEL

Les VECSELs à 1.55 µm épitaxiés sur substrat InP, utilisent des matériaux quartenaires (InGaAsP, InGaAlAs) pour former la région active, ou le miroir de Bragg (le matériau quartenaire correspondant à la couche quart d’onde de fort indice). Malheureusement, la conductivité thermique des matériaux quartenaires est faible (exemple : Cĸ _InGaAlAs=0.023 W/K.cm alors que la conductivité thermique de l’InP est CK InP = 0.68 W/K.cm [30]). Cela induit une mauvaise évacuation de la chaleur générée par l’absorption du signal de pompe. Une meilleure évacuation de la chaleur est nécessaire pour réduire le seuil laser et atteindre une puissance de sortie élevée. Deux types d’approches ont été proposées pour résoudre ce problème.

La première approche consiste à assurer l’évacuation de chaleur à l’aide d’un dissipateur intra cavité collé sur la surface du VECSEL, au plus près de la région active. L’idée a été proposée par Alford et al. des laboratoires Sandia (Nouveau-Mexique, USA) pour améliorer les performances d’un VECSEL en InGaAs/GaAs émettant à 980 nm [10]. Suivant cette approche, la chaleur générée dans la couche active diffuse principalement dans le dissipateur de bonne conductivité thermique, et l’impédance thermique du miroir de Bragg sous-jacent a un effet négligeable pour l’évacuation de la chaleur (Figure II-4).

Figure II-4: Schéma représentant l’évacuation de la chaleur d’une structure VECSEL à travers un

dissipateur intra-cavité assemblé sur la face avant de la structure

Le dissipateur intra-cavité doit être transparent à la longueur d’onde d’émission du VECSEL et à la longueur d’onde de pompe pour les VECSELs pompés optiquement. Son efficacité dépend de son épaisseur et de la conductivité thermique du matériau utilisé. L’approche intra-

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cavité est très efficace mais elle présente certaines limitations : par exemple le dissipateur peut se comporter comme un filtre étalon intra-cavité et modifier les propriétés spectrales de l’émission laser.

Pour éviter ce problème, une seconde approche consiste à dissiper la chaleur à travers le miroir de Bragg et le substrat sur lequel est intégré le VECSEL (Figure II-5). Dans ce cas, l’impédance thermique du miroir et du substrat a une grande importance [31].

Figure II-5: Schéma représentant l'évacuation de chaleur d’une structure VECSEL à travers le

miroir de Bragg et le substrat hôte

Dans le tableau ci-dessous, nous résumons les performances obtenues avec les deux approches, pour des VECSELs à base d’InP émettant vers de 1550 nm.

Tableau II-1 : Résumé des résultats obtenus avec des VECSEL pompés optiquement émettant à 1550

nm

Nous remarquons que la méthode de dissipation de chaleur intra cavité est très efficace pour obtenir des puissances de sortie élevées. Néanmoins, plusieurs centaines de mW peuvent être obtenues à la température ambiante avec la seconde approche, ce qui est largement suffisant pour de nombreuses applications des VECSELs à 1.5 µm.

II.1.c.ii Gain modal du VECSEL

Dans une cavité laser, l’effet de cavité crée une onde optique stationaire et le champ électrique peut s’écrire :

6

Downward heat dissipation= dissipation de la chaleur à travers le miroir de Bragg

7

Heat spreader=dissipation de la chaleur en utilisant un dissipateur intra cavité

λémission

(nm) ^{région active}

miroir de

Bragg (λpompe, Ppompe) Psortie (W) ^Température (K)

dissipation

de chaleur ^{références année} 1550 ^PQs (InGaAsP) 48-paires InP/InGaAsP (1250nm,1.1W) 0,07 233 DHD⁶ [32] 2004 (1250nm,5.5W) 0,8 240 HS7 [33] 2004 1540 ^PQs (InGaAlAs) 35-paires GaAs/AlGaAs ^{(980nm,25W) 3.8 293 HS [34] 2011} 1550 ^PQs (InGaAlAs) 17-paires de GaAs/AlGaAs (épitaxie métamorphique) (980nm,4.3W) 0.35 283 DHD [31] 2012

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( ) ( ) avec II- 1

Où . est la longueur d’onde de l’onde stationnaire, n : l’indice de refraction et f : la fréquence optique.

La fonction cosinus indique la création d’une onde stationnaire dans la direction z.

Le gain modal au niveau de la couche active dépend du gain du semi-conducteur (g) et du

facteur de confinement longitudinal (Γ). Le gain modal est donné par la formule II- 2.

^{II- 2}

Pour le cas d’un puits quantique d’épaisseur Lp, le facteur de confinement longitudinal (Γ) se calcule suivant la formule II- 3.

∫ ( ) ∫ ( ) ⁽ ( ) ( ) ⁾ II- 3

avec z0 : le centre du puits quantique et L=λ/2 : la période de l’onde stationnaire. L’équation II- 3 peut s’écrire :

^{II- 4} où: ⁽ ) ( ) II- 5

L’équation II- 5 montre que le facteur de confinement Γ’ est maximal lorsque le centre du puits quantique coïncide avec un ventre de l’onde stationnaire [35].

II.1.c.iii Bruit d’intensité dans les VECSELs

Une différence importante entre les VECSELs à base de matériaux semi-conducteurs et les lasers à état solide tels que les cristaux dopés, concerne le temps de vie des porteurs dans le milieu de gain. A titre d’exemple, dans un milieu actif en quartenaire sur InP émettant vers 1.5 µm, au-dessus du seuil laser, le temps vie des porteurs est de l’ordre de 1 ns ou un peu inférieur, alors que pour un verre dopé à l’Erbium ce temps de vie est de l’ordre de 1.5 ms [36]. Considérons un temps de vie de photons typique dans une cavité externe de l’ordre de 6 ns (cette valeur est calculée pour une cavité de longueur 1 cm et avec des miroirs de réflectivité R=99 %, en considérant que les pertes subies par le faisceau laser sont dues seulement au coefficient de réflexion du miroir de sortie). Nous constatons que le rapport temps de vie des porteurs et temps de vie des photons dans la cavité est bien différent dans les deux cas.

Le laser à cristal ou verre dopé est de classe B, alors que le VECSEL est de classe A, c'est-à-dire que les oscillations de relaxation sont supprimées. Cette propriété permet d’éliminer le pic de bruit autour de la fréquence de relaxation, et de réaliser des VECSELs mono fréquence à très faible bruit relatif d’intensité (utiles par exemple pour les applications radar), ou des VECSELs bi-fréquence avec un signal de battement hyperfréquence de grande pureté

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spectrale. Il a été démontré que les VECSELs peuvent être des lasers de classe B lorsque la longueur de cavité est fortement réduite car cela conduit à diminuer le temps de vie de photons. Mais tant que la longueur de cavité choisie est assez grande pour permettre d’obtenir une durée de vie de photons supérieure à l’inversion de population, le laser VECSEL sera de classe A [37].