L’innovation technologique dans le domaine des lasers à semi-conducteurs franchit une nouvelle étape, offrant des possibilités inédites pour la recherche scientifique et les applications industrielles. Ces avancées promettent de transformer notre compréhension et notre utilisation de la lumière cohérente.
Des chercheurs ont mis au point deux modèles de lasers à semi-conducteurs à fréquence verrouillée, opérant dans les régions du proche infrarouge ou du visible. Ces dispositifs se distinguent par leur capacité à produire une lumière de haute qualité, caractérisée par une largeur de raie ultra-étroite et un niveau de bruit remarquablement bas.
La professeure Yating Wan de l’Université KAUST, auteure principale des deux études, a indiqué : «Notre objectif était de démontrer la polyvalence des lasers à semi-conducteurs à faible bruit en développant des dispositifs opérant efficacement dans deux régions spectrales différentes – 1310 nm et 780 nm. Cela élargit leur potentiel d’application dans des domaines nécessitant différentes longueurs d’onde.»
Une collaboration fructueuse entre KAUST, les Sandia National Labs et l’Université de Californie à Santa Barbara a permis l’obtention de ces résultats. Les conclusions de l’étude ont été publiées récemment dans les revues Nature Photonics et Optica.
Le laser à points quantiques : une prouesse technique remarquable
Le premier laser, un dispositif à points quantiques (QD) cultivé directement sur silicium, utilise une cavité à fibre externe pour stabiliser et réduire la ligne d’émission. Une largeur de raie lorentzienne de seulement 16 Hz a été atteinte par ce dispositif, ce qui est présenté comme la plus étroite jamais obtenue pour un laser QD sur puce.
La longueur d’onde d’émission de 1310 nm et la largeur de raie exceptionnellement étroite de ce laser le rendent particulièrement adapté à la construction d’un synthétiseur de micro-ondes hautement stable.
Le second laser, de conception à rétroaction distribuée (DFB) en AlGaAs, est relié à un micro-résonateur en anneau SiN pour réaliser un verrouillage par auto-injection. Cette configuration a permis d’obtenir une largeur de raie spectrale de 105 Hz.
La longueur d’onde d’émission de 780 nm de ce laser s’aligne parfaitement avec la transition optique du rubidium-87, utilisé dans les pièges optiques atomiques et les horloges optiques.
Des perspectives de production à grande échelle
Les deux dispositifs ont été conçus dans l’optique d’une production de masse rentable. Les lasers QD, cultivés sur du silicium (001) compatible CMOS, pourraient potentiellement être fabriqués dans des fonderies sur des wafers de silicium de 300 mm.
L’utilisation de composants disponibles dans le commerce pour les lasers DFB les rapproche de la commercialisation.
Ces deux dispositifs apportent des améliorations notables par rapport à la plupart des lasers à semi-conducteurs. Des largeurs de raie beaucoup plus larges, de l’ordre du kilohertz ou du mégahertz, sont généralement observées dans les lasers à semi-conducteurs traditionnels.
Des performances similaires en termes de largeur de raie étroite peuvent être obtenues avec des lasers à fibre ou des lasers à l’état solide. Cependant, ces derniers sont des dispositifs beaucoup plus volumineux et ne se prêtent pas à une intégration à l’échelle de la puce avec l’optoélectronique et l’électronique.
Artem Prokoshin, premier auteur de l’article paru dans Optica, a souligné : «Ces progrès amènent les performances des lasers à semi-conducteurs au niveau de celles des lasers à fibre et à l’état solide : ils offrent une alternative compétitive qui combine les avantages d’une taille et d’un coût réduits avec des performances élevées.»
Des applications futures enthousiasmantes
L’équipe de recherche prévoit de réduire la taille des dispositifs en intégrant les cavités de verrouillage externes sur la même plateforme que le laser. La professeure Wan a expliqué : «Notre objectif principal est de développer des lasers à largeur de raie étroite entièrement intégrés. Actuellement, les deux dispositifs sur lesquels nous avons travaillé utilisent des cavités externes – une cavité à fibre ou un micro-résonateur en anneau, tous deux hors puce. Notre prochaine étape consiste à intégrer ces composants sur la puce.»
Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour affiner les dispositifs, l’équipe envisage déjà des applications concrètes et le potentiel commercial de ces lasers. En particulier, KAUST collabore avec des partenaires industriels pour explorer les possibilités d’utilisation des lasers QD dans des capteurs destinés aux équipements autonomes du secteur minier.
La professeure Wan a conclu : «L’objectif de ce projet est de développer un prototype de LIDAR à l’état solide intégrant des possibilités de traitement de nuages de points 3D. Ce prototype est spécifiquement conçu pour les opérations minières dans des environnements désertiques complexes.»
Légende illustration : Les nouveaux lasers à semi-conducteurs à verrouillage de fréquence offrent une largeur de bande ultra-fine et un faible bruit, ce qui est idéal pour les applications optiques compactes telles que le LIDAR, les horloges atomiques et les gyroscopes optiques. 2024 KAUST
Dong, B., Wan, Y., Chow, W.W., Shang, C., Prokoshin, A., Alkhazraji, E., Koscica, R., Wang, H. & Bowers, J. Turnkey locking of quantum-dot lasers directly grown on Si. Nature Photonics 18, 669-676 (2024).| article.
Prokoshin, A., Gehl, M., Madaras, S, Chow, W.W. & Wan, Y., Ultra-narrow-linewidth hybrid-integrated self-injection locked laser at 780nm. Optica 11, 1024-1029 (2024).| article.
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