Nouveaux MIcro-emetteurs à Cristaux-PHotoniques moyen-IR coherent accordable de puissance – MICPHIR

L'objectif du projet MICPHIR est de surpasser les limitations des lasers monofréquences moyen-IR (2-3µm) à semiconducteur et à l'état solide. Le but est de développer un nouveau composant photonique fonctionnel de haute cohérence spatiale/temporelle de forte puissance basé sur les technologies des semiconducteurs III-V Sb et GaAs (VCSEL, cristaux photoniques, membrane). L'application principal visée est un capteur multi-gaz compact utilisant des techniques de spectroscopie d'absorption CRDS (Cavity Ring-Down Spectroscopy). Ce système permettra de réaliser un capteur de gaz pour des applications allant de l'environnement, la climatologie, la sécurité industrielle, la biologie, la médecine. Pour surpasser les limitations des capteurs - utilisant des lasers DFB -, le consortium MICPHIR veut développer une source laser dans la configuration VECSEL (Vertical-External-Cavity Surface Emitting Laser), alliant compacité, large accordabilité, haute puissance et haute cohérence spatiale/temporelle. L'étude physique complète sera réalisée (qualité de front d'onde, bruit d'intensité, largeur de raie, dynamique) afin d'extraire les paramètres physiques critiques.

Un VECSEL est un laser à semi-conducteur formé par un 1/2 VCSEL - composé d'un miroir de haute réflectivité et d'une zone de gain à puits quantiques -, un gap d'air de ~cm, et classiquement un miroir concave diélectrique qui ferme la cavité (coupleur de sortie). Des travaux antérieurs ont démontré un VECSEL pompé par diode du commerce émettant dans le moyen-IR à 2.3µm, qui affichait des performances très intéressantes, surpassant/atteignant la plupart des propriétés des diodes lasers DFB du commerce. Ce VECSEL émettait des niveaux de puissances comparables (<5mW à 15°C) et démontrait des améliorations sur un ordre de grandeur sur les autres caractéristiques : faisceau circulaire TEM00 de faible divergence (<5°) à la limite de diffraction, accordabilité continue large bande (>200GHz) et largeur de raie étroite (<<MHz).<br />
Ce composant présentait plusieurs limitations et les concepts sont restés au stade de demonstration de laboratoire: la puissance restait faible, le laser sautait de mode longitudinal et de polarisation, l'accordabilité n'était pas reproductibles/suffisantes. La plage de longueur d'onde démontrée est <2.4µm. Ce projet MICPHIR a pour but, dans une premère étape, de repousser les performances de ce type de laser : l'objectif est d'atteindre de fortes puissances (>100mW) en conservant un faisceau TEM00 pour des diamètres >100µm et une faible largeur de raie, ceci en environnement sévère (temperature); régler le problème des sauts de modes et rendre sa polarisation stable insensible au feedback. Ces améliorations seront obtenues grâce à de nouveaux ingrédients physiques et technologiques: grâce à une gestion thermique du 1/2-VCSEL par collage, à de nouvelles structures à puits quantiques émettant jusqu'à 2.8µm, et d'autre part grâce à un composant miroir à cristaux photoniques/effet plasmon à semiconducteur GaAs (coupleur de sortie) présentant de nouvelles fonctionnalités.
Parmi ces fonctionnalités, on peut compter: un filtre accordable en longueur d'onde pour éviter les sauts de mode, et/ou un filtre à plasmons pour contrôler l'état de polarisation; un miroir à lentille diffractive pour contrôler et stabiliser le mode transverse fondamental dans une cavité sub-millimétrique.

Dans une dernière étape, ce composant sera intégré dans un micro-support en matrice silicium, afin d'obtenir un micro-système laser totalement fonctionnel et robuste pour les éventuelles applications. L'objectif final est de tester ce micro-emetteur dans un système CRDS multi-gas à haute sensibilité. Ce capteur permettrait la détection et l'analyse de gaz in-situ des molécules d'intérêt suivantes :CH4, NH3, HF, NO2, CO, isotopes H2O, CO2.

Ces nouveaux concepts et propriétés de composants seront généralisables à d'autres gammes spectrales pour applications photoniques variées.