Projet ANR-15-CE24-0034 – IDYLIC : Etudes des boites quantiques au sein de lasers à émission verticale et en cavité externe sous injection électrique pour la réalisation d'émetteurs bi-fréquence cohérent et compact
Programme : Micro et nanotechnologies pour l’information et la communication (DS0710) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Cyril Paranthoen (Fonctions optiques pour les technologies de l'information)
Montant : 508687.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Le projet IDYLIC propose de concevoir un émetteur laser bi-fréquences ultra-stable et cohérent, aux longueurs d’ondes télécom, pour les applications en optique micro-ondes. Les domaines d’applications principalement visées vont des technologies de communication radio sur fibre, de la génération et la détection de signaux radar, jusque la génération de signaux THz. Actuellement la plupart des lasers bi-fréquence (bi-f) ont été réalisés avec succès avec des lasers solides, au détriment d’une importante complexité et d’un manque réel de compacité imputable au pompage optique. En réponse à ce problème, on voit depuis peu l’émergence de dispositifs bi-f à semiconducteur (SC), permettant la réalisation de lasers plus compacts et en injection électrique. Néanmoins, la manipulation et/ou la fabrication de ces derniers restent encore très complexes, principalement lié au caractère homogène du gain des SC classiquement utilisés (puits quantiques). Fort de cela, une émission simultanée bi-f est difficile dans ces dispositifs à SC, laissant place à une compétition des modes. Toutefois, des lasers bi-f à SC ont pu être réalisés, au prix d’architectures complexes soit en ayant recourt à deux lasers DFB couplés en phase, ou encore par recourt à des cavités lasers dans lesquelles les deux modes du laser bi-f sont spatialement séparés. Dans le premier cas lié à la qualité spectrale médiocre de ces lasers, l’élargissement spectral de la raie de battement est très dégradé. Dans le second cas, la configuration bi-axe de la cavité laser apporte une complexité supplémentaire, qui s’avère incompatible avec une injection électrique.
L’originalité du projet IDYLIC repose principalement sur l’utilisation conjointe d’une zone active à SC présentant un fort caractère inhomogène, par analogie aux lasers solides, que sont les boites quantiques (BQs), avec une cavité laser externe et à émission verticale (VECSEL) permettant de bénéficier de forte puissance de sortie, d’un fonctionnement du laser en régime dit de classe A, et surtout de présenter une excellente finesse spectrale des raies lasers. Pour un tel dispositif, l’utilisation des QDs permet de ne plus devoir séparer spatialement les deux modes lasers (configuration mono-axe) pour bénéficier d’un régime bi-f stable, autorisant ainsi la réalisation d’une source plus compacte et plus simple, puisque le pompage électrique devient possible. Dans une première étape, le projet IDYLIC s’attèlera à démontrer une émission cohérente et bi-f aux longueurs d’onde proche de 1.5 µm, sur des VECSELs intégrant des BQs en configuration mono-axe, et sous pompage optique. Les propriétés intrinsèques des BQs seront exploitées, afin de couvrir des émissions lasers avec des différences de fréquences allant de 100 GHz jusque 4 THz, la cavité VECSEL permettant de prétendre à de très faibles élargissement de raie laser et de battement (< 10 kHz). Enfin, grâce à un procédé technologique constituant l’état de l’art, combinant le wafer fusion de miroirs AlAs/GaAs et le collage sur substrat diamant, des puissances de sortie des dispositifs au-delà du watt seront démontrés. Le second objectif important du projet IDYLIC est de développer des VECSEL pompés électriquement. L’injection électrique homogène sur ce type de dispositif présentant des modes lasers de grands diamètres (50-100 µm) n’est pas aisée. Toutefois, ce type d’injection s’avère nécessaire pour améliorer la compacité du dispositif en vue de son intégration système, mais elle permettra aussi de réduire significativement le bruit basse fréquence du laser.
Pour atteindre les objectifs décrits ci-dessus, le projet IDYLIC abordera tout aussi bien les problématiques de matériaux (BQs), de modélisation, de développement, et de caractérisations avancées. En fin de projet, des lasers à émission cohérente bi-fréquences seront testés et évalués au sein d’expérimentations micro-ondes, telles que la génération de rayonnement THz.