Principe de fonctionnement

3.1.1. Principe général

Un OPS-VECSEL est composé d’une structure semiconductrice pompée optiquement placée dans une cavité laser formée par un miroir de Bragg, inclus dans la structure semiconductrice, et un miroir externe (Figure 15). La structure semiconductrice comporte également une zone de gain et une zone d’absorption de la pompe optique. Le pompage optique permet d’obtenir une zone de gain uniforme sur de grandes dimensions sans atteindre les seuils de dommage des structures ; et l’utilisation de la structure semiconductrice dans une cavité externe permet de contrôler la qualité spatiale et spectrale du faisceau.

Figure 15: Schéma de principe d'un laser à émission par la surface en cavité externe pompé optiquement (OPS-VECSEL)

3.1.2. Les éléments clés d’un OPS-VECSEL [Kuznetsov, 1999]

a) La structure semiconductrice

La structure semiconductrice est le cœur du laser. Nous traitons dans le chapitre II de ce

manuscrit la conception, la fabrication et la caractérisation de ce composant. Cependant nous pouvons d’ores et déjà donner les principales fonctionnalités que devra intégrer la structure semiconductrice. Il s’agit un demi-VCSEL. Elle comporte donc un miroir de Bragg et une

zone de gain. Le miroir de Bragg, réalisé par alternance de couches de matériaux d’indices

différents de sorte à obtenir de hautes réflectivités (>99%) sur une large plage spectrale (>50 nm), joue le rôle d’un des miroirs de la cavité. Il doit également induire un minimum de pertes à la longueur d’onde laser.

Le gain laser est obtenu grâce à de multiples puits quantiques. L’efficacité du laser et la

puissance maximum extraite sont fonctions du nombre et de la disposition des puits quantiques dans la structure. Il faudra veiller à optimiser ces paramètres pour répondre aux exigences de notre application. Pour atteindre une densité de porteurs suffisante dans les puits quantiques et observer l’effet laser, notre travail a porté exclusivement sur un pompage

optique dans les barrières ; pour autant le pompage optique dans les puits a récemment

conduit à des résultats remarquables, et le pompage électrique est indéniablement une voie intéressante pour l’intégration des systèmes de façon analogue aux VCSEL. Bien entendu, chaque type de pompage impose des contraintes différentes sur la structure semiconductrice.

Chapitre I : Etat de l’art des sources laser pour les horloges atomiques

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b) La cavité laser

La structure semiconductrice est placée dans une cavité externe qui joue plusieurs rôles dans le contrôle de l’émission laser. Cela permet avant tout d’obtenir une bonne qualité de faisceau. En choisissant correctement les rayons de courbure des miroirs et la distance les séparant, il est possible de faire coïncider le mode fondamental de la cavité laser avec la zone

de pompage optique ; ainsi, le mode TEM00 présente un meilleur recouvrement avec la zone

de gain que les modes d’ordres supérieurs, il est donc favorisé quelle que soit la puissance de pompe. On atteint ainsi des puissances bien supérieures en fonctionnement monomode transverse à celles obtenues avec les VCSEL.

L’utilisation d’une cavité externe permet d’insérer des éléments à l’intérieur de la cavité, qui peuvent servir pour contrôler la longueur d’onde (étalon, filtre de Lyot) ou des cristaux non linéaires pour réaliser une conversion non linéaire de fréquence. On intègre ainsi plusieurs fonctions dans le laser en profitant des fortes puissances intracavité des OPS-VECSEL.

Enfin, comme pour les diodes laser en cavité étendue (cf. paragraphe 1.2.2. b)), la longueur de la cavité et ses faibles pertes assure un long temps de vie du photon dans la cavité. Les OPS-VECSEL ont donc une limite particulièrement faible de largeur de raie, qui atteint des limites théoriques de l’ordre du Hertz pour des cavités de longueur centimétrique.

c) Le pompage optique

Outre l’intégration d’un des miroirs de la cavité laser et la zone de gain, la structure semiconductrice comporte également une zone d’absorption de la pompe. Deux types de pompages optiques sont utilisés pour atteindre la densité de porteurs suffisante pour dépasser le seuil laser suivant l’endroit où la pompe est absorbée : le pompage optique est réalisé dans les barrières ou directement dans les puits quantiques de la structure (Figure 16). Nous détaillons les avantages comparés de ces deux types de pompage optique.

Le pompage optique est le type de pompage le plus répandu pour les VECSEL. Les

photons de pompe sont absorbés dans les barrières situées de part et d’autres des puits quantiques. L’avantage des matériaux semiconducteurs réside dans leur forte absorption

linéique (de l’ordre de 10000 cm-1_{) ce qui permet d’atteindre des absorptions élevées sur}

de faibles épaisseurs de matériaux (plus de 99% d’absorption sur seulement 5 µm

d’épaisseur de matériau). Les barrières sont généralement suffisamment épaisses pour assurer une telle absorption en simple passage de la pompe. Seuls les photons de pompe dont l’énergie est supérieure à l’énergie de gap des barrières sont absorbés, ce qui impose une borne supérieure à la longueur d’onde de la source de pompage. Les porteurs excités, créés dans les barrières, diffusent vers les puits quantiques pour se recombiner (Figure 16). Le

défaut quantique est alors grand, car l’écart entre les longueurs d’onde laser et de pompe est typiquement de l’ordre de 150 nm, et les effets thermiques peuvent limiter rapidement les puissances laser émises.

Une solution alternative consiste à réaliser le pompage optique directement dans les puits quantiques à l’aide de source très efficaces et commercialement disponibles, comme

les diodes laser à 808 nm pour émettre vers 850 nm [Schmid, 2004]. On réduit alors le défaut quantique, cependant on troque les problèmes thermiques contre des problèmes

d’absorption de la pompe et d’efficacité du système. En effet, pour compenser la faible

absorption, qui s’effectue uniquement dans les puits quantiques, d’épaisseurs bien plus faibles que celles des barrières, la complexité du système est reportée sur le recyclage de la

pompe, comme pour les architectures de type « Thin Disk » [Giesen, 1994]. Les OPS-

VECSEL sont d’ailleurs appelés parfois Semiconductor Thin Disk. Ces problèmes ont été partiellement résolus par Beyertt et ses collègues de l’université de Stuttgart [Beyertt, 2007] ou Schmid et ses collègues de l’université de Strathclyde [Zhang, 2006], qui ont démontré une

puissance laser supérieure à 1 W émise autour de 850 nm avec des pentes lasers respectivement de 66% et 11%. Dans ces travaux, le système de pompage optique est critique. La longueur d’onde et l’angle d'incidence de la pompe doivent être optimisés pour améliorer l’absorption dans les puits quantiques. Il faut ajouter à cela un système de recyclage de la pompe non absorbée via un miroir de Bragg assurant un double passage de la pompe dans la structure (réfléchissant à la longueur d’onde laser λ0 et la longueur d’onde de pompe λp), et un

miroir de recyclage de la pompe réfléchie qui la renvoie dans le milieu actif. Cela illustre la complexité globale des systèmes employés.

Figure 16 : Pompage optique dans les barrières (à gauche) et dans les puits (à droite)