Diode OPO à boîtes quantiques – DOPO

L’Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) est un dispositif bien connu, qui assure la fonction de source cohérente à grande accordabilité spectrale. Tout comme le laser, il tire parti de l’effet de contreréaction généré sur un amplificateur optique par une cavité au sein de laquelle il est inséré. A la différence du laser, il repose sur le phénomène d’amplification paramétrique en lieu et place de l’émission stimulée.
Ce projet vise à réaliser pour la première fois un OPO à pompage électrique. Ce résultat constituera une avancée scientifique majeure. En effet, tandis que l’invention de la diode laser a fécondé le domaine de la photonique, la démonstration d’un OPO pompé électriquement reste un problème ouvert, 50 ans après la découverte de l’OPO.
Les OPOs commerciaux, pompés par des lasers, sont disponibles dans des gammes très diverses de puissance, de domaine spectral et de mode temporel. Ce composant est aujourd’hui suffisamment mûr pour aborder de nombreux domaines d’application, notamment industriels, militaires ou liés à la santé et à l’environnement. Cependant, la majeure partie du marché des OPOs reste à ce jour connectée au monde de la recherche du fait de la portabilité très limitée des OPOs actuels. Cette limitation disparaîtrait avec la réalisation de la diode-OPO (DOPO) développée dans ce projet, source compacte qui émettra du proche au moyen IR (1.5-3.5 µm) un rayonnement cohérent continu à 300K.
Le fonctionnement de cette DOPO repose sur la génération paramétrique au cœur de la cavité d’une diode laser à boîtes quantiques, à ruban étroit profondément gravé. Le principal avantage lié à la mise en œuvre de boîtes quantiques réside dans leur capacité à piéger les porteurs de charge et à geler leur diffusion vers les centres de recombinaison non radiative. Dans le cas des diodes laser, cet effet permet de réaliser des diodes lasers à ruban étroit (quelques µm) présentant un courant de seuil comparable à celui de diodes à ruban large. Ce point est particulièrement intéressant pour la réalisation d’une DOPO, car la largeur du ruban laser constitue, lorsque celui-ci est étroit et profondément gravé, un paramètre d’accord très efficace pour assurer l’accord de phase.
Pour la photonique, reconnue comme domaine technologique clef, la réalisation d’une DOPO constituerait une avancée en rupture notamment 1) pour les télécoms, qui souhaitent disposer de sources largement accordables, principalement pour les réseaux d’accès, et pour lesquelles la plage d’accordabilité sans saut de mode des lasers DFB et DBR est notoirement insuffisante, et 2) pour la plage spectrale entre 2 et 3.5 µm, qui est très utilisée pour des applications civiles telles que l’analyse de gaz, la sécurité et les applications médicales, ainsi que pour des applications de défense. La disponibilité de diodes OPOs induirait une vraie révolution pour ces deux domaines, du fait de leur compacité, large accordabilité spectrale, efficacité énergétique et faible coût.
En ce qui concerne la propriété industrielle et le transfert technologique, on voit bien que les mêmes raisons qui ont engendré l’exceptionnel succès de la diode laser (compacité, faible coût, faible puissance consommée) stimuleront de façon analogue les perspectives de valorisation et de transfert industriel pour la première DOPO. Ce point est mis en lumière par le dépôt d’un premier brevet par les partenaires INAC et MPQ pendant la construction du projet.
Les compétences de ces deux partenaires, respectivement dans les domaines de la physique des boîtes quantiques et de la photonique non-linéaire, sont complétées par un troisième groupe de recherche, le III-V Lab, leader dans le domaine des composants semiconducteurs pour la photonique. La présence, via le III-V Lab, des partenaires industriels Thales et Alcatel-Lucent, avec leur excellente réputation dans le développement et la commercialisation de nouveaux produits optoélectroniques, renforce la perspective de valorisation du projet DOPO.