Diode laser à cavité verticale émettant par la surface

Une diode laser à cavité verticale émettant par la surface est un type de diode laser à semi-conducteur émettant un rayon laser perpendiculairement à la surface, contrairement aux lasers conventionnels à semi-conducteur émettant par la tranche.



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Schéma d'une structure VCSEL simple

Une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (ou VCSEL [v'ɪxl] pour l'anglais vertical-cavity surface-emitting laser) est un type de diode laser à semi-conducteur émettant un rayon laser perpendiculairement à la surface, contrairement aux lasers conventionnels à semi-conducteur émettant par la tranche.

Les diodes VCSEL présentent de nombreux avantages sur les lasers émettant par la tranche, surtout en ce qui concerne le procédé de fabrication :

- les semi-conducteurs émettant par la tranche ne peuvent pas être testés au cours du processus de fabrication, mais uniquement à la fin, de sorte que si au final la diode ne fonctionne pas, par exemple à cause d'un mauvais contact ou des matériaux défectueux, le temps et les matériaux mis en œuvre pour la fabrication sont gâchés ;

- les VCSEL émettant par la couche supérieure, plusieurs dizaines de milliers de diodes peuvent être fabriquées en même temps sur une couche de GaAs de trois pouces ;

- même si la fabrication des VCSELs est plus longue et plus couteuse, le processus de fabrication étant plus aisément contrôlable, le rendement s'en trouve perfectionné.

Historique

Le premier VCSEL a été présenté en 1979 par Soda, Iga, Kitahara et Suematsu, mais il a fallu attendre 1989 pour voir des systèmes dont le courant de seuil était inférieur à 1 mA. En 2005, les VCSEL ont déjà remplacé les lasers émettant par la tranche pour les applications de communication par fibre optique à courte portée telles que les protocoles Gigabit Ethernet et Fibre Channel.

Structure

Structure d'un VCSEL réel (ici, émettant vers le bas)

Le résonateur laser est constitué de deux miroirs de Bragg parallèles à la surface du wafer, et , entre eux, d'une région active constituée d'un ou plusieurs puits quantiques donnant la possibilité la génération du faisceau laser. Les miroirs de Bragg sont faits de couches alternant haut et bas indices de réfraction. L'épaisseur de chaque couche est du quart de la longueur d'onde du laser dans le matériau, donnant la possibilité ainsi d'obtenir un facteur de réflexion supérieur à 99%. Dans les VCSEL, des miroirs à haut facteur de réflexion sont nécessaires pour compenser la faible longueur du milieu amplificateur.

Dans la majorité des VCSEL, les miroirs supérieurs et inférieurs sont des matériaux dopés respectivement de type p et n, formant une jonction P-N. Dans certains VCSEL plus complexes, les régions p et n peuvent être enterrées entre les miroirs de Bragg ; cela implique un procédé plus complexe pour réaliser le contact électrique avec le milieu amplificateur, mais limite les pertes électriques dans les miroirs de Bragg.

Des recherches sont menées sur des dispositifs VCSEL utilisant des matériaux nouveaux. Dans ce cas, le milieu amplificateur peut être pompé par une source lumineuse externe de plus courte longueur d'onde (en général, un autre laser). Cela sert à présenter le fonctionnement d'un VCSEL sans y ajouter le problème de réalisation de bonnes performances électriques. Cependant, ces systèmes ne sont pas transposables à la majorité des applications courantes.

Matériaux

Entre 650 nm et 1300 nm

Les VCSEL permettant d'obtenir des faisceaux de longueur d'onde comprise entre 650 nm et 1300 nm sont généralement fabriqués sur des wafers d'arséniure de gallium (GaAs). Les miroirs de Bragg sont composés d'une alternance de couches de GaAs et d'arséniure de gallium-aluminium (AlxGa (1-x) As). L'alternance GaAs/AlGaAs est intéressante pour la construction de VCSEL, car la constante de réseau du matériau fluctue peu quand la composition change, donnant la possibilité ainsi la croissance épitaxiale de multiples couches sur substrat GaAs avec accord de maille. Par contre, l'indice de réfraction de l'AlGaAs fluctue fortement selon la fraction volumique d'aluminium : cela sert à minimiser le nombre de couches requises pour obtenir un miroir de Bragg efficace (en comparaison avec d'autres matériaux). Qui plus est , pour de fortes concentrations d'aluminium, il est envisageable de former un oxyde d'AlGaAs, pouvant servir à limiter le courant dans un VCSEL, donnant la possibilité ainsi d'utiliser de très faibles courants de seuil.

Au-delà de 1300 nm

Des systèmes permettant d'obtenir des faisceaux entre 1300 nm et 2000 nm existent, constitués de phosphure d'indium au moins pour leur milieu amplificateur.

Les VCSEL fournissant des faisceaux de longueur d'onde toujours plus grande ne sont en 2005 qu'au stade expérimental, et sont généralement pompés optiquement.

Structures VCSEL spécifiques

Particularités

Comme les VCSEL émettent par la surface, ils peuvent être testés directement sur le wafer, avant d'être découpés en systèmes individuels. Cela diminué leur coût de fabrication, et permet aussi de les produire de façon matricielle.

La grande ouverture de sortie des VCSEL, par comparaison avec la majorité des lasers émettant par la tranche, produit un angle de divergence du faisceau plus petit. Ainsi, il est envisageable de connecter un VCSEL à une fibre optique avec une haute efficacité de couplage.

Le fort cœfficient de réflexion des miroirs de Bragg diminué le courant de seuil des VCSEL, ce qui abaisse leur consommation électrique. Par contre, les VCSEL émettent à des puissances plus faibles que les lasers émettant par la tranche. Le faible courant de seuil permet aussi d'obtenir des bandes passantes à forte modulation intrinsèque[1].

La longueur d'onde des VCSEL peut être ajustée (au sein de la plage de gain du milieu amplificateur) en modifiant l'épaisseur des couches formant les miroirs de Bragg.

Enfin, tandis que les premiers VCSEL émettaient en modes longitudinaux multiples ou en mode filament, il est courant en 2005 de rencontrer des VCSEL monomodes.

Applications

  • Transmission de données par fibre optique
  • Transmission de signal large-bande analogique
  • Spectroscopie d'absorption (TDLAS)
  • Imprimantes laser
  • Souris optique
  • Imagerie active térahertz

Notes et références

  1. Surface-emitting laser — Its birth and generation of new optœlectronics field, K. Iga, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6 (6), 2000, 1201–1215

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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