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Laser à très faible seuil dans un simple guide d'onde

Publié le 14 janvier 2020 Mis à jour le 16 janvier 2020

Un texte de la Minute Recherche par François Réveret (Institut Pascal, Unité Mixte de Recherche CNRS, SIGMA, UCA).

Dans le domaine des communications très haut débit, le photon a pris la place de l'électron depuis plusieurs années. Les diodes laser à semi-conducteurs occupent désormais une place importante car ces composants convertissent le signal électrique (électron) en signal optique (photon). Pour émettre un faisceau de lumière cohérente (laser), une certaine quantité d'énergie est nécessaire à la diode laser pour atteindre le seuil de fonctionnement. Il est important de minimiser ce seuil pour économiser de l'énergie. Pour cela nous utilisons des pièges à photons que l'on appelle microcavité optique. La structure est composée d'une couche active de semi-conducteur placée entre deux miroirs très réfléchissants (à plus de 99%). Ce résonateur permet de confiner des photons et de les faire interagir fortement avec les excitons (électrons dans un état excité) du semi-conducteur. Ce couplage lumière-matière conduit à la diminution du seuil d'un facteur 100 par rapport à celui obtenu avec une diode laser standard. Cependant la réalisation de ce composant n'est pas simple. Il nécessite au moins 80 couches de quelques dizaines de nanomètres et plusieurs étapes technologiques supplémentaires pour finaliser le composant.

Nos recherches ont permis de démontrer qu'il est possible d'obtenir une diode laser à très faible seuil, basée sur un couplage fort lumière-matière, mais avec seulement trois couches (Figure 1), ce qui les rend plus simples et moins onéreuses à fabriquer. Le principe physique reste le même que dans la microcavité mais ici les photons sont guidés et confinés dans le plan des couches comme dans une fibre optique. Ils interagissent fortement avec les excitons et se propagent sur des distances allant jusqu'à 20 à 30 micromètres. Nous avons déterminé comment le seuil du laser peut être facilement contrôlé soit par la taille du résonateur horizontal soit par la taille de la zone où l'on crée les photons (Figure 2). De plus, nous avons mis en évidence la possibilité d'amplifier le signal optique émis par la structure à quelques micromètres de la source. Le seuil de ce nouveau système est faible et il est encore possible de le réduire en améliorant le confinement et le guidage des photons.

Ce nouveau composant optoélectronique ouvre de larges perspectives car il permet des économies d'énergie et il est aussi capable de faire des calculs avec de la lumière. Il peut aisément être utilisé pour les communications inter- et intra-composants et pour alimenter des systèmes tout optique.
Figure 2

Émission de la structure en fonction de la puissance d’excitation mesurée à température ambiante (l’abscisse correspond à l'énergie à laquelle émet la structure et l'ordonnée correspond à l'intensité de l'émission).