Récemment, une équipe de lasers à semi-conducteurs comprenant l'École des sciences interdisciplinaires de l'Université nationale de technologie de la défense et Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. a réalisé des progrès significatifs dans la recherche sur les lasers à semi-conducteurs bicolores. Les résultats, intitulés « Le laser à disque semi-conducteur bicolore monolithique 960/1 000 nm offre une luminosité supérieure à 300 MW/cm²sr », ont été publiés dans ACS Photonics. Zhang Zhicheng, chercheur adjoint à l'USTC, a été le premier auteur, avec les professeurs Wang Jun et Zhang Chao Fan comme auteurs correspondants.
Les lasers à disque semi-conducteur (SDL), également connus sous le nom de lasers à émission de surface à cavité verticale-- (VECSEL), ont suscité une attention considérable ces dernières années. Combinant les avantages du gain des semi-conducteurs et des résonateurs à semi-conducteurs-, ils surmontent efficacement les limitations de zone d'émission des lasers à semi-conducteurs monomodes -classiques tout en offrant une conception de bande interdite de semi-conducteurs flexible et des caractéristiques de gain de matériau élevées. Ils trouvent des applications dans de nombreux scénarios, notamment une sortie laser à faible-bruit à largeur de raie étroite-, une génération d'impulsions à taux de répétition -ultra-rapide élevé-, une génération d'harmoniques-élevée et la technologie des étoiles guides au sodium. Les progrès technologiques exigent une plus grande flexibilité de longueur d’onde. Les sources cohérentes à double longueur d'onde démontrent un immense potentiel dans des domaines émergents tels que le lidar anti-brouillage, l'interférométrie holographique, les communications par multiplexage par répartition en longueur d'onde, la génération infrarouge moyen ou térahertz et les peignes de fréquence optique multicolores. Atteindre une émission à double longueur d'onde à haute -luminosité-tout en supprimant la compétition de gain entre les longueurs d'onde reste un défi important dans les lasers à disque semi-conducteur.
Pour relever ce défi, l’équipe des lasers à semi-conducteurs a proposé une conception de puce innovante. Grâce à des-études numériques approfondies, ils ont découvert que le contrôle précis des effets de filtrage du gain des puits quantiques et des microcavités semi-conductrices dépendant de la température- pouvait permettre une régulation flexible du gain à double couleur-. Sur cette base, l'équipe a réussi à concevoir une puce à gain de luminosité élevé-fonctionnant à 960/1 000 nm. Ce laser fonctionne en mode fondamental proche de -diffraction-limité, atteignant une luminosité de sortie d'environ 310 mW/cm²sr.
Innovations en recherche
Figure 1 : Conception d'une puce à semi-conducteur à gain et à double longueur d'onde à haute-luminosité
La couche de gain de la plaquette semi-conductrice n'a que quelques micromètres d'épaisseur, formant une microcavité Fabry-Perot entre l'interface air du semi-conducteur-et le réflecteur de Bragg distribué au niveau du substrat. Traiter la microcavité semi-conductrice comme un filtre spectral intégré module le gain du puits quantique. Simultanément, l’effet de filtrage des microcavités et le gain du semi-conducteur présentent des taux de dérive de température distincts. Combiné au contrôle de la température, cela permet la commutation et la régulation de la longueur d'onde de sortie. En tirant parti de ces propriétés, l’équipe a défini par calcul le pic de gain du puits quantique à 950 nm à 300 K, avec un taux de dérive de température de longueur d’onde de gain d’environ 0,37 nm/K. Par la suite, l’équipe a utilisé la méthode de la matrice de transfert pour concevoir les facteurs de confinement longitudinal de la puce, atteignant des longueurs d’onde maximales d’environ 960 nm et 1 000 nm. Les simulations ont révélé un taux de dérive en température de seulement 0,08 nm/K. En utilisant le dépôt chimique en phase vapeur organique de métal-(MOCVD) pour la croissance épitaxiale, l'équipe a réussi à fabriquer des puces à gain de haute-qualité grâce à une optimisation continue des processus. Les mesures de photoluminescence correspondaient parfaitement aux résultats de la simulation. Pour atténuer la charge thermique et permettre un fonctionnement à haute -puissance, un processus de conditionnement de puces en diamant à semi-conducteurs-a été développé davantage.
Analyse complète des caractéristiques de sortie des puces à gain semi-conducteur
Après le conditionnement de la puce, l’équipe a procédé à une évaluation complète de ses performances laser. En mode de fonctionnement continu, la longueur d'onde d'émission peut être réglée de manière flexible entre 960 nm et 1 000 nm en contrôlant la puissance de la pompe ou la température du dissipateur thermique. Dans une plage de puissance de pompe spécifique, le laser a également atteint un fonctionnement à double longueur d'onde -avec un espacement de longueur d'onde de 39,4 nm, atteignant une puissance d'onde continue-maximale de 3,8 W. Parallèlement, le laser a maintenu un fonctionnement en mode fondamental proche de la-diffraction-limitée avec un facteur de qualité de faisceau M² de seulement 1,1 et une luminosité d'environ 310 MW/cm²sr. L'équipe a également étudié les performances des ondes quasi-continues du laser. En insérant un cristal optique non linéaire LiB₃O₅ dans la cavité du résonateur, ils ont réussi à observer les signaux de fréquence somme -, confirmant la synchronisation des deux longueurs d'onde.
Cette conception ingénieuse de puce réalise une intégration organique du filtrage à gain de puits quantique et du filtrage par microcavité, jetant ainsi les bases de la conception pour la réalisation de sources laser à double -longueur d'onde. En termes de mesures de performances, ce laser monolithique à double -longueur d'onde atteint une luminosité élevée, une grande flexibilité et une sortie de faisceau coaxial précise. Sa luminosité se classe parmi les meilleurs niveaux mondiaux dans le domaine actuel des lasers à semi-conducteurs monolithiques à double longueur d'onde -. Pour les applications pratiques, cette réalisation est prometteuse dans les systèmes lidar multicolores -. Tirant parti de sa luminosité élevée et de ses caractéristiques à double-longueur d'onde, il peut améliorer efficacement la précision de la détection radar et ses capacités anti-interférences dans des environnements complexes. Dans les applications de peigne de fréquence optique, sa sortie stable à double longueur d'onde-fournit un support essentiel pour les mesures spectrales de précision et la détection optique haute-résolution. Pour l’avenir, l’équipe prévoit d’approfondir ses recherches. D'un côté, ils visent à développer des dispositifs électropompés en optimisant des paramètres tels que les dimensions des électrodes et le dopage pour augmenter encore la puissance monomode. D'autre part, ils exploreront de nouveaux lasers à semi-conducteurs à émission de surface à cristaux photoniques électro--pompés-.
