Laser à semiconducteur en cavité verticale étendue émettant à 1550 nm et perspectives pour la génération d'impulsions brèves

1550 nm vertical-external-cavity semiconductor lasers and their perspectives for short pulse generation

• Auteur / Autrice : Clémentine Symonds
• Direction : Jean Louis Oudar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Cavité externe

Pompage optique

Blocage de modes passif

Résumé

Les OP-VECSELs (Optically Pumped Vertical External Cavity Semiconductor Lasers) sont des sources permettant d'obtenir des faisceaux circulaires de bonne qualité et de puissance élevée. De plus, la cavité externe permet d'envisager la réalisation de sources impulsionnelles par l'insertion d'un miroir à absorbant saturable (SESAM) dans la cavité et la mise en place d'un régime de blocage de modes passif. Ce travail de thèse a porté sur la réalisation et l'étude des OP-VECSEL, des SESAMs et des cavités optiques adaptés à la réalisation d'une source impulsionnelle à l,55 [mu]m. Le cœur de ce travail de thèse a consisté en la conception, la caractérisation, et l'obtention du fonctionnement laser en continu d'OP-VECSELs réalisés monolithiquement sur InP. La principale difficulté pour l'obtention de l'effet laser en continu a été la gestion de l'échauffement, particulièrement important lors du pompage optique des matériaux à l'accord de maille sur InP. L'effet laser à 1,55 [mu]m en pompage continu à température ambiante a cependant été obtenu, avec un seuil de 6 kW/cm^2, et une puissance de sortie de 4 mW à OʿC. Ce résultat est une première pour une structure OP- VECSEL monolithique sur InP émettant à 1,55 [mu]m. La réalisation d'une source impulsionnelle nécessite l'amélioration des propriétés thermiques des OP-VECSELs, et nous proposons de nouvelles structures satisfaisant à cette contrainte. La génération d'impulsions brèves à haut débit nécessite l'accélération de la dynamique de fonctionnement des SESAMs. Pour ce faire, nous proposons une méthode originale, consistant à placer le puits quantique jouant le rôle d'absorbant saturable très près de la surface du composant, pour bénéficier des recombinaisons rapides des porteurs sur les états de surface. Nous proposons également des configurations de cavités optiques compactes adaptées à l'obtention d'impulsions à un débit supérieur à 2 GHz.

Optically-Pumped Vertical-External-Cavity Semiconductor-Lasers (OP-VECSELs) present high power circular diffraction limited output beams. Moreover, the external cavity allows the realization of passively modelocked pulsed sources by inserting a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) in the cavity. This work consisted in the realization and the study of OP- VECSELs, SESAMs and optical cavities for the obtention of a short pulse source at 1. 55 [mu]m. The main part of this work was the design, the characterization, and the obtention of continuous wave (CW) lasing operation of monolithically grown OP-VECSELs on InP. The major difficulty for the obtention of CW lasing operation is due to the low thermal conductivity of the materials lattice matched to InP, leading to an important heating of the devices during CW optical pumping. Despite of these difficulties, a proper design of the structures allowed the obtention of room temperature CW 1asing operation, with a lasing threshold of 6 kW/cm^2, and an output power as high as 4 mW at 0ʿC. This result is at the state of the art of 1. 55 [mu]m monolithically grown OP-VECSELs lattice matched to InP. However, we show that the realization of a modelocked source implies a reduction of the thermal resistivity of the OP-VECSELs, and we thus propose non-monolithical devices matching this condition. High bit rate pulse generation implies the acceleration of the SESAM dynamics. We thus propose an original SESAM configuration where the quantum well (acting as a saturable absorber) is grown very close to the surface of the device. This enhances the rapid recombination of the charge carriers on the surface states of the SESAMs. We also propose configurations of compact optical cavities compatible with the obtention of high bit rate pulses (> 2 GHz).