Pompage du VECSEL

4.1.2.1 Pompage optique et pompage électrique

Les VECSELs sont habituellement pompés optiquement, et peuvent absorber la pompe sur une large gamme spectrale grâce aux matériaux semiconducteurs utilisés, par contraste avec les lasers à état solide où les variations de la longueur d’onde de pompage peuvent nuire à l’opération. Le pompage électrique peut être employé [227] mais son développement est en retard sur le pompage optique, notamment à cause du besoin d’avoir recourt à des DBRs dopés de haute qualité, qui augmentent les pertes, et de la difficulté à injecter les porteurs uniformément sur une grande surface. Cependant, en dépit de ces complications technologiques, les VECSELs pompés électriquement pourraient bénéficier à beaucoup d’applications, comme la métrologie requérant un bas niveau de bruit. Nous pouvons citer d’autres avantages comme la compacité, le plus haut rendement de puissance et un alignement de la cavité plus rapide. C’est pourquoi des avancées majeures sont tout de même rapportées, comme les travaux du groupe de U. Keller de l’ETH Zurich [228] et d’E. Kapon de l’EPFL [229], sur des VECSELs basés respectivement sur GaAs et InP. Les difficultés technologiques sont contournées dans les VECSELs pompés optiquement, ce qui permet l’utilisation de matériaux non dopés et une excitation uniforme sur une grande surface. Il existe deux types de pompage : le pompage résonant et le pompage optique dans les barrières. Comme son nom l’indique, ce dernier consiste à exploiter les couches barrières entourant les puits ou les plans de boites, plus épaisses et de plus grand gap, pour absorber le faisceau de pompe. Les porteurs photogénérés dans les barrières diffusent vers les PQs (ou BQs) où ils se recombinent radiativement. La puissance de pompe est par conséquent absorbée de manière plus efficace. En contrepartie, la différence d’énergie entre les photons de la pompe et les photons générés est dissipée par relaxation non-radiative, induisant un échauffement de la structure supérieur comparé à la première méthode. Il reste tout de même le plus répandu.

Par ailleurs, dans ce manuscrit, nous caractériserons uniquement des VECSELs pompés optiquement, c’est pourquoi nous ne nous attarderons ni sur la présentation ni sur l’état de l’art des VECSELs à injection électrique.

4.1.2.2 Gestion de la thermique

L’essor des VECSELs et leur performance est en partie dû à la meilleure gestion de la thermique et à la disponibilité de diode de pompe toujours plus puissante. Pour obtenir de plus

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grandes puissances, la meilleure configuration consiste en une cavité externe permettant un pompage optique uniforme sur un grand diamètre (200-250 μm), et une évacuation de la chaleur efficace. Ces éléments ont permis d’augmenter la puissance des VECSELs de deux ordres de grandeur en 20 ans. En effet, les premiers VECSELs étaient peu puissants (<0,5 W) et n’opéraient pas à la température ambiante, en grande partie car la gestion thermique n’était assurée que par un système de radiateur et Peltier en contact avec le substrat (voir Figure 4.3(a)) : la chaleur générée par l’absorption du signal de pompe était par conséquent mal évacuée. D’une part, cet effet thermique réduit l’efficacité d’émission via des processus de recombinaisons non-radiatifs et des fuites de porteurs accrues par la température, ce qui réduit finalement les performances avec un seuil laser plus haut et une puissance de sortie plus faible. L’échauffement entraine également un décalage de la longueur d’onde d’émission vers les grandes longueurs d’onde, pouvant amener à un désaccord entre la longueur d’onde d’émission et la structure de gain résonante [230]. Ainsi, à partir d’une certaine puissance de pompage, la puissance du VECSEL diminue ; il s’agit de l’inversion thermique ou roll-over thermique. D’autre part, il peut conduire à l’endommagement de la puce.

Figure 4.3 : Schéma de principe de l’évacuation thermique dans une structure ½-VCSEL (a) sans gestion de la thermique, (b) avec un substrat aminci ou complètement retiré et collé sur diamant et (c) avec un diamant intracavité. La figure est redessinée à partir des références [231], [232].

Les deux approches les plus courantes pour améliorer l’évacuation de la chaleur sont schématisées à la Figure 4.3(b) et (c). La première (b) consiste à amincir ou à retirer complètement le substrat du Bragg, pour le remplacer par un dissipateur thermique. Celui-ci est généralement un diamant poly- cristallin bas de gamme. Cette technique décrite par Kuznetsov a permis la première démonstration d’un VECSEL fonctionnant à température ambiante [218].

137 La seconde approche (Figure 4.3(c)) est l’utilisation d’un dissipateur thermique intracavité de

qualité optique, le plus souvent collé par capillarité [233] sur la surface du VECSEL. Cette idée fut proposée dans les années 2000 par Alford et al, avec un saphir intracavité [234]. Le dissipateur étant de très bonne conductivité thermique, la chaleur générée dans la zone active s’y diffuse presque intégralement. Le choix du matériau s’effectue par des critères thermiques mais aussi optiques : il doit être transparent à la longueur d’onde d’émission du laser et de la pompe. Mis à part le saphir, d’autre matériaux ont ensuite été proposés comme le carbure de silicium (SiC) [235] ou le diamant. Ce dernier est de loin le meilleur pour cette application [236], en raison de sa très grande conductivité thermique (~ 20 W/cm.K, quatre fois plus grande que le SiC) et sa grande fenêtre de transmission. Néanmoins, la principale contrainte de cette méthode est l’introduction d’un élément

optique supplémentaire dans la cavité, susceptible d’engendrer des pertes et pouvant se comporter comme un étalon, ce qui peut compromettre l’accordabilité spectrale. Afin de contrecarrer cet effet de filtre spectral, le dissipateur intracavité est traité antireflet et possède une forme très légèrement prismatique [237].