Lasers quantiques : la lumière apprivoisée à l’échelle atomique

Les lasers à semi-conducteurs sur puce à base de matériaux quantiques en puits (QW) et quantiques en boîtes (QD) sont devenus les principaux candidats pour plusieurs applications grâce à leurs excellentes caractéristiques, notamment leur grande efficacité énergétique, leur fonctionnement à haute température et leur faible encombrement.

Bien que les QW soient largement utilisés dans les produits commerciaux, les QD sont apparus comme une alternative attractive en raison de leur densité d’états unidimensionnelle quantique et de leur dégénérescence atomique.

L’intégration hétérogène de lasers III-V avec des micro-résonateurs en SiN, aidée par l’auto-verrouillage, apporte non seulement les avantages intrinsèques de compacité et de production en grande série, mais améliore également la stabilité. Cette technologie permet de réaliser des performances supérieures en termes d’affinement de la largeur de raie par rapport aux lasers III-V cultivés sur des plates-formes natives.

Étude paramétrique du milieu actif des lasers à cavité composite

Une nouvelle étude publiée dans Light Science & Application a mené une investigation paramétrique sur la conception du milieu actif des lasers à cavité composite.

L’équipe de chercheurs* s’est concentrée sur les effets du confinement des porteurs quantiques sur les caractéristiques dynamiques et spectrales du dispositif à cavité composite verrouillé. Plus précisément, ils ont examiné l’affinement spectral de l’émission, ou rétrécissement de la largeur de raie, résultant de l’intégration de lasers DFB (distributed feedback) III-V à QW ou QD avec des micro-résonateurs en SiN.

« Lorsqu’elles sont correctement accordées et verrouillées sur un ou plusieurs des modes de galerie du micro-résonateur, les rétroactions optiques sous forme de rétrodiffusion de Rayleigh peuvent permettre de réduire drastiquement la largeur de raie d’émission d’une diode laser au niveau du Hz« , a expliqué Emad Alkhazraji, auteur de cet article de recherche.

L’étude paramétrique s’est conclue par une analyse d’optimisation multi-objectifs de la conception et du fonctionnement des dispositifs à QW et QD via un algorithme génétique. Un algorithme de décision multi-critères a ensuite été utilisé pour identifier les points de conception-fonctionnement optimaux pour chaque variable d’optimisation.

« Ces résultats fournissent des orientations pour des études paramétriques plus complètes pouvant produire des résultats opportuns pour la conception technique« , a conclu le professeur Yating Wan.

En synthèse

L’intégration de lasers III-V à semi-conducteurs quantiques avec des micro-résonateurs en SiN ouvre la voie à des performances laser améliorées, notamment un affinement spectral poussé permettant d’atteindre des largeurs de raie au niveau du Hz. Une étude paramétrique approfondie, associée à des optimisations multi-objectifs, permet d’identifier les designs et conditions de fonctionnement optimaux pour tirer le meilleur parti de cette technologie prometteuse.

Pour une meilleure compréhension

Quels sont les avantages des lasers à semi-conducteurs quantiques par rapport aux lasers conventionnels ?

Ils offrent une meilleure efficacité énergétique, peuvent fonctionner à haute température et ont un faible encombrement.

En quoi consiste l’intégration hétérogène des lasers III-V avec des micro-résonateurs en SiN ?

Il s’agit d’assembler monolithiquement sur une même puce des lasers III-V à base de matériaux semi-conducteurs et des micro-résonateurs en nitrure de silicium. Cette intégration permet d’améliorer les performances des lasers.

Comment les micro-résonateurs en SiN permettent-ils d’affiner spectralement l’émission laser ?

Leur rétroaction optique sous forme de rétrodiffusion Rayleigh, lorsqu’ils sont verrouillés sur un mode de galerie, réduit fortement la largeur de raie d’émission laser.

Pourquoi une étude paramétrique et une optimisation multi-objectifs sont-elles nécessaires ?

Pour identifier de façon systématique les designs et conditions de fonctionnement optimaux pour tirer le meilleur parti de cette technologie.

* équipe dirigée par le Professeur Yating Wan du Integrated Photonics Lab de l’Université scientifique et technologique du roi Abdallah (KAUST) en Arabie saoudite, le Dr Weng W. Chow de Sandia National Laboratories à Albuquerque aux États-Unis, le Professeur Frédéric Grillot de LTCI, Télécom Paris, Institut Polytechnique de Paris en France, et le Professeur John Bowers de l’Université de Californie à Santa Barbara aux États-Unis,

Lire l’article en libre accès de Li et al. « Direct 3D-printing of microlens on single mode polarization-stable VCSEL chip for miniaturized optical spectroscopy, » J. Opt. Microsystems 3(3) 033501 (2023). DOI : 10.1117/1.JOM.3.3.033501.