Brevet FR3051984A1 — publié le 20171201

RESEAU DE LASERS A CASCADE QUANTIQUE A ANTIGUIDAGE ENTERRE DANS UN MATERIAU DE TYPE IV ET A EMISSION MONOLOBE Le domaine de l'invention est celui des lasers à cascade quantique (ou « QCL » acronyme de l'expression anglo-saxonne Quantum Cascade Laser) de puissance émettant dans le moyen infrarouge. Les lasers de puissance dans le moyen infrarouge (MIR) sont typiquement utilisés en contre-mesure optique et en spectroscopie. Parmi les lasers de puissance on peut aussi citer les sources à conversion de fréquences (OPO) et les lasers à gaz (CO2). Mais contrairement à ces sources, les QCLs sont une solution compacte, monolithique, robuste, avec un haut rendement énergétique. On souhaite pouvoir utiliser une source de puissance MIR fonctionnant aussi bien en régime impulsionnel (à forte puissance pic), qu'en régime continu et quasi-continu. Une solution connue pour augmenter la puissance consiste à utiliser un QCL mono ruban et à augmenter la largeur du ruban. Cependant à partir d'une certaine largeur, la charge thermique devient trop importante pour être efficacement évacuée ce qui conduit à une chute des performances voire à une destruction du laser. Des problèmes optiques apparaissent également avec un fonctionnement multimode qui conduit à un champ lointain très dégradé. Le record de puissance obtenue en régime continu à température ambiante est de 5.1W pour une longueur d'onde de 4.6pm avec une largeur de ruban de 8 pm. En régime impulsionnel, le record est de 120W en puissance pic pour une largeur de ruban de 400pm à 4.45pm de longueur d'onde. Pour ces structures, le champ lointain n'est pas monolobe (un seul pic en champ lointain) ni monomode et il se dégrade fortement lorsqu'on augmente le courant traversant le laser. Une solution pour dissiper efficacement la charge thermique et être monomode, est de séparer un large ruban en plusieurs micro-rubans couplés optiquement. Cela permet d'augmenter la dissipation latérale et de maîtriser le mode latéral. Il existe des lasers QCL à réseaux de micro-rubans couplés, émettant autour de 4.6pm et 8.2pm, dont les micro-rubans sont enterrés 3051984 2 dans de l'InP:Fe d'indice de réfraction ne inférieur à celui des zones actives formées par les micro-rubans (nza) ; un micro-ruban seul, lorsque ne nza ; on parle alors de structure antiguidée, les rubans ne supportant pas 20 de mode confiné contrairement au mode guidé vu précédement. De telles structures ont été fabriquées en remplaçant l'InP:Fe par un bicouche InP:Fe/InGaAs dont l'indice optique est plus élevé que celui des micro-rubans formant les zones actives. Cela ne suffit pas pour obtenir des lasers monolobes. Il faut ajouter un mécanisme introduisant des pertes sur 25 les modes non désirés, ce qui a été fait en introduisant une métallisation particulière sur le dispositif. Mais cette métallisation est une source de dégradation des performances du laser du point de vue de la puissance. En ajustant l'espacement entre les rubans, on peut obtenir un champ lointain monolobe avec une puissance pic de 5.5W (4.5W dans le 30 lobe principal) à 8.36pm avec un rapport cyclique de 0.05 % et une largeur de ruban effective de 105pm, soit une puissance moyenne de seulement 2.75mW. Le problème de ces structures est que la faible conductivité thermique résultante du bicouche ainsi que la largeur importante des rubans lasers entrainent une mauvaise dissipation thermique, empêchant un 35 fonctionnement en régime continu ou quasi-continu. De plus, le filtrage par 3051984 3 les pertes dans le métal réduit le gain de la structure et donc la puissance de sortie. Ces composants à antiguidage dans le bicouche InP:Fe/InGaAs demandent plusieurs étapes de recroissance de matériau cristallin, ce qui est coûteux et augmente grandement la complexité de fabrication, et diminue les 5 tolérances aux défauts de fabrication. En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour un laser de puissance IR donnant simultanément satisfaction à l'ensemble des exigences précitées, en termes de puissance optique moyenne et de 10 rendement à la prise (permis par une bonne dissipation thermique), d'émission monolobe et de coût et de facilité de fabrication. Plus précisément l'invention a pour objet un laser comportant un réseau de micro rubans de lasers à cascade quantique de longueur d'onde 15 d'émission prédéterminée, les micro rubans de largeurs prédéterminées formant des zones actives d'indice de réfraction nza et espacées entre elles par un matériau inter rubans d'indice de réfraction ne, avec nza 0) éventuellement très importante (ne- 30 nza>0.1), ce qui permet ainsi au laser d'émettre sur des super modes antiguidés concentrant la puissance en champ lointain dans un lobe centré. De manière pratique, on pourra utiliser un matériau amorphe qui est plus aisé à synthétiser en particulier sur un substrat de type III-V. Le Silicium ou le Germanium amorphe sont également des matériaux avec de faibles pertes 35 dans le moyen infrarouge, et ils assurent un drain thermique suffisant pour 3051984 4 permettre un fonctionnement en continu ou quasi-continu. Enfin, le Silicium ou le Germanium sont des isolants électriques, ce qui est nécessaire pour ne pas court-circuiter la zone active. Par rapport à un couplage évanescent où l'espacement entre les 5 rubans doit être le plus faible possible pour garantir un couplage élevé, le couplage par antiguidage permet d'avoir des espacements plus importants entre les rubans et ainsi relâche les contraintes technologiques. En outre, l'espacement entre les modes permet de choisir le mode antiguidé que l'on veut voir laser. 10 De plus, le Silicium ou le Germanium amorphe est un matériau beaucoup moins contraignant que l'InP:Fe ou le InGaAs en terme de dépôt, ce qui réduit la complexité et le coût de production. Les espacements peuvent être identiques ; de même les largeurs 15 des micro rubans peuvent être identiques. Les zones actives formant une zone active effective, et le réseau de micro rubans comportant deux rubans périphériques, ledit matériau est avantageusement aussi disposé sur les flancs externes des rubans périphériques sur une largeur S e déterminée en fonction de l'espacement 20 D entre zones actives et d'un recouvrement du super mode avec la zone active effective. Le laser a par exemple une longueur d'onde d'émission comprise entre 3,5 pm et 10 pm. Le réseau comporte par exemple de 4 à 20 micro rubans. 25 L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un laser tel que décrit, à partir d'un empilement sur un substrat d'indice de réfraction ns, d'une couche d'un matériau de zone active d'indice de réfraction nza, avec ns ne, on a pour chaque zone active 1 un mode guidé et le champ électrique décroît exponentiellement en fonction de la distance mesurée à partir du coeur de la zone active comme illustré figure 2a pour un seul ruban. C'est le cas avec un couplage évanescent 20 entre des rubans étroits séparés entre eux par de l'InP:Fe : on choisit des largeurs L1, LK, des rubans suffisamment étroites pour que pris séparément, chacun des rubans ne permette que le mode fondamental. Il est sinusoïdal dans la zone active et exponentiel décroissant dans l'InP:Fe. Avec plusieurs rubans, les super modes sont en première approximation des 25 combinaisons linéaires des modes des rubans pris séparément. Le supermode antisymétrique est favorisé (le champ dans les zones actives change de signe entre plus proches voisins : + - + - + ...), ce qui donne un champ lointain bilobe. L'espacement entre les micro-rubans n'influe alors que sur la force du couplage entre eux. 30 En remplissant l'espace entre les micro-rubans par un matériau de type IV tel que du silicium, on rend possible l'existence de super modes antiguidés, l'indice optique du silicium étant plus élevé que celui de la zone active (nze REVENDICATIONS1. Laser (100) comportant un réseau de micro rubans de lasers à cascade quantiques de longueur d'onde (À) d'émission prédéterminée, les micro rubans de largeurs (L1,...LK) prédéterminées formant des zones actives (1) d'indice de réfraction nza et espacées entre elles par un matériau (2) inter rubans d'indice de réfraction ne, avec nza 2. Laser (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les espacements sont identiques et/ou les largeurs des micro rubans sont identiques. 3. Laser (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de type IV (2) est du Silicium ou du Germanium. 4. Laser (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de type IV (2) est amorphe. 5. Laser (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les zones actives (1) formant une zone active effective, le réseau de micro rubans comportant deux rubans périphériques (10), ledit matériau de type IV (2) est aussi disposé sur les flancs externes des rubans périphériques sur une largeur S e déterminée en fonction des espacements entre zones actives et d'un recouvrement du super mode avec la zone active effective. 6. Laser (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les zones actives sont des hétérostructures de matériaux 3051984 11 7. Laser (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le laser a une longueur d'onde d'émission comprise entre 3,5 pm et 10 pm. 5 8. Laser (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réseau comporte de 4 à 20 micro rubans. 9. Procédé de fabrication d'un laser (100) selon l'une des revendications 10 précédentes, à partir d'un empilement sur un substrat (3) d'indice de réfraction ns, d'une couche d'un matériau de zone active (1) d'indice de réfraction nza, avec ns 10. Procédé de fabrication d'un laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que S=0. 30 11. Procédé de fabrication d'un laser selon l'une des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que l'étape a) est réalisée par dépôt en phase vapeur ou par dépôt par couches atomiques. 12. Procédé de fabrication d'un laser selon l'une des revendications 9 à 35 11, caractérisé en ce que l'étape b) est réalisée par polissage mécano-chimique et/ou par gravure sèche ou humide. 3051984 12 13. Procédé de fabrication d'un laser selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le substrat et la couche de confinement supérieur sont en InP ou GaAs. 5