Guides d’onde à retournement d’orientation cristalline pour des diodes laser GaSb accordables dans le moyen-infrarouge – Great GaSby

Les sources lasers adaptées au moyen infra-rouge (MIR), entre 2 et 12 µm, ont fait l'objet de nombreux développements ces dernières années qui ont vu émerger des systèmes de conversion non linéaire basés sur le quasi accord de phase (QPM), des diodes lasers à base d’antimoniures (GaSb) et des lasers à cascade quantique (QCL). Néanmoins, aucune de ces technologies n’est capable seule de proposer les sources compactes, peu couteuses et à très large gamme d’accord indispensables pour développer les nombreuses applications IR. Le projet Great GaSby vise à combler cette lacune en s’appuyant sur les récents progrès dans les diodes lasers à GaSb et dans la conversion QPM dans les semiconducteurs III-V à structuration d’orientation (OP).
Les diodes lasers à GaSb, étudiées depuis ~20 ans, présentent des seuils lasers très bas et des puissances voisines de 1 W à température ambiante dans la gamme spectrale autour de 2 µm. L’IES est un des leaders. En parallèle, la conversion non linéaire a fait un bond permettant de démontrer la conversion QPM efficace de divers lasers fonctionnant en continu ou en régime pulsé. Récemment, une oscillation paramétrique optique (OPO) a été obtenue par pompage optique de GaAs à orientation structurée (OP-GaAs). La longueur d’onde émise est contrôlée la période du réseau de QPM, la température ou la longueur d’onde de pompe. III-V Lab et TRT sont leaders.
Le projet Great GaSby a un objectif très ambitieux : la démonstration par pompage électrique d’un OPO dans des guides d’ondes OP-GaSb grâce à la co-intégration d’une diode laser GaSb avec le guide OP-GaSb. L’integration de structures actives de pompage III-Sb émettant dans la gamme 2 – 2,5 µm et de guides d’ondes OP-GaSb efficaces pour convertir cette pompe vers la gamme 2,5 – 12 µm offre la perspective inédite de développement d’une source laser à semiconducteurs présentant une gamme d’accord jamais atteinte.
Les motivations clés de ce projet sont :
• une efficacité accrue de l’émission OPO par pompage à 2 µm, au lieu de 1 µm habituellement, pour atteindre les deux régions spectrales, autour de 3 µm et au-delà de 6 µm, capitales pour les applications de spectroscopie,
• un accord idéal avec les spécifications des applications de contre-mesures optiques,
• une protection contre l’absorption à deux photons qui perturbe le fonctionnement des structures à base de GaAs,
• une susceptibilité non-linéaire d’ordre de 2 de GaSb 50% plus élevée que celle de GaAs.
Outre les tâches de management et de valorisation, le programme de travail est organisé comme suit :
1) Hétéro-Epitaxie de guides d’ondes GaSb à orientation structurée : Epitaxie par jets moléculaires de guides OP-GaSb sur des substrats structurés de OP-GaAs. Cette tâche profite de la maitrise de la réalisation des substrats structurés OP-GaAs. La nouveauté réside dans la croissance de couches tampons GaSb de qualité suffisante pour permettre la reprise épitaxiale de guides d’ondes et de structures actives tout en préservant la structuration d’orientation, et ce, malgré la présence de défauts de relaxation de contrainte.
2) Homo-Epitaxie de guides d’ondes GaSb à orientation structurée : des substrats GaSb à structuration d’orientation seront fabriqués par collage puis les structures OP-GaSb seront épitaxiées sur ces substrats. L’homoépitaxie bénéficie de l’absence de relaxation de contrainte mais la difficulté résidera dans la fabrication des substrats structurés.
3) Structures actives : des diodes lasers GaSb émettant vers 2 µm seront intégrées avec les guides OP-GaSb pour la conversion OPO. Deux approches différentes sont explorées pour gérer le risque.
Le projet s’appuie sur les compétences complémentaires des trois partenaires : IES (GaSb), TRT (OPO) et III-V Lab (substrats structurés, technologie du composant).
A notre connaissance la croissance de structures OP-GaSb n’a jamais été reportée tandis que la démonstration d’un OPO à semiconducteurs pompé électriquement n’a jamais été réalisée.