Etudes des boites quantiques au sein de lasers à émission verticale et en cavité externe sous injection électrique pour la réalisation d'émetteurs bi-fréquence cohérent et compact – IDYLIC

Le projet IDYLIC implique le développement d'un ensemble de défis scientifiques clairement identifiés dans le projet, et qui ont motivés le découpage du projet selon les taches suivantes : - La première tache consiste à optimiser les aspects matériaux du projet. En particulier une étude des QD sera menée afin de satisfaire les conditions requises à un VeCSEL bi fréquence sur [0.1,4] THz. (gain et élargissement homogène). Aussi, les compatibilités technologiques liées à la fabrication de VeCSEL en injection électrique (jonction tunnel enterré, wafer fusion) seront menées en vue d'adapter le procédé au substrat d'InP(311)B. - La seconde tache consiste au développement de la technologie de fabrication des VeCSEL en pompage optique et électrique, pour la fabrication de lasers bi-fréquence. Des structures à QW et à QD seront comparées. - La troisième tache consiste en la caractérisation des structures VeCSELs en injection optique et électrique. Une première étude sera menée afin de démontrer les performances supérieures attendues des en termes de bruit de phase et d'amplitude des VeCSEL à injection électrique en comparaison de l'injection optique. Les performances bi-fréquences seront également à ce stade évaluées, en étudiant en particulier les bistabilités/simultanéités des deux modes du laser bi-fréquence en fonction de leur écartement spectral. - Une quatrième tache sera dédiée aux aspects de modélisation des VeCSEL bi-fréquence à QDs. Les modèles seront améliorés, en particulier en intégrer les paramètres expérimentaux de la tache 1 et 3, mais également en intégrant à plus grande échelle (2D) les effets d'inhomogéinités d'injection et de température?

Cette première période du projet a été principalement consacrée au démarrage des différents études et verrous du projet. On retiendra en particulier : - un banc de mesure de Spectral Hole Burning a été créé. Il permet la mesure de l'élargissement homogène, pour une gamme de température de [10, 400]K, et des densités de porteurs comparables au régime de fonctionnement laser - une expérimentation VeCSEL sous pompage optique permettant le fonctionnement bi-fréquence mono-axe a été créé. Ce banc intègre aussi des actuateurs de pertes sélectifs sur chacun des bras, permettant de mesurer directement la simultanéité/bistabilité dui régime bi-fréquence, et de l'évaluer par la mesure du couplage entre les deux modes - un banc de caractérisation des VeCSEL sous injection électrique a été développé - une optimisation du procédé de fabrication des puces VeCSEL électriques. Un fonctionnement à température ambiante, sur des diamètres de 30-50 µm a été démontré, avec de bonne performances (Is < 20 mA, Pmax>2mW). - des premières campagnes de tests ont été amorcées afin vérifier la compatibilité du substrat d'InP(311)B avec les étapes de fabrication des VeCSEL sous injection optique et électrique (wafer fusion, jonction tunnel enterrée (BTJ))). Des LEDs à BTJ ont été réalisées, et un VeCSEL à puits quantiques sur InP(311)B est en cours de fabrication. - des premières études de croissance des QD ont été réalisées. Des densités de QD de 10^10 à 2.10^11 cm-2 ont été mesurées, tout en conservant d'excellents rendement de luminescence. L'objectif ici est de déterminer la densité optimale permettant de bénéficier d'un gain suffisant, et d'un élargissement homogène/couplage limité. - Enfin, la modélisation 0D des QD a déjà permis de montrer l'intérêt des QDs pour le fonctionnement bi-fréquence, en attente d'intégrer les paramètres expérimentaux. Le modèle a été optimisé afin de l'étendre à une version 2D (intégrant les inhomogénéités spatiales de température et de densités de porteurs).

A ce stade du projet, tous les chantiers du projet ont bien démarré, et devraient sous peu permettre la démonstration de résultats scientifiques majeurs. En particulier, les prochaines étapes du projet sont : - la mesure de l'élargissement homogène des QD en fonction de leur densité surfacique. Ces premières mesures viendront compléter les modélisation 0D, et permettront d'établir des règles de sélection - des mesures de gain des structures à QD seront réalisées (lasers à émission par la tranche), étape préliminaire à la réalisation des structures VeCSEL - les premières structures VeCSEL à QD seront testées dans un premier temps en pompage optique. Ces premières mesures permettront à la fois de qualifier le VeCSEL à QD (classe A), ses performances, et surtout son potentiel pour fonctionner en régime bi-fréquence (par la mesure de stabilité, des constantes de couplage). Ces résultats, associés au modèle 2D permettront d'apporter des éléments à une meilleure compréhension de la physique des lasers bi-fréquence à QD, et constituera une avancée majeure de ce projet. - Des structures VeCSEL en injection électrique à puits quantiques (et QD) seront réalisés et testés, afin de valider le améliorations attendues en terme de bruit basse fréquence, et leur impact sur la qualité du laser bi-fréquence et des battements de fréquence. Enfin, les porteurs du projet souhaite à ce stade souligné deux éléments significatifs, montrant toute la pertinence et la crédibilité du projet IDYLIC : - Fedorova et al (PTL 2017) a montré des battements de fréquence d'un laser (à émission par la tranche) bi-fréquence à QD (InAs/GaAs) de 0.28 à 34 THz. Ce papier montre expérimentalement le potentiel des QDs pour le bi-fréquence dans une gamme de fréquence semblable à celle du projet IDYLIC. - Deux partenaires du projet ont eu l'occasion de montrer le fonctionnement en classe A d'un VeCSEL intégrant des nanostructures filaires (quantum dashes, pas QDs), résultat prometteur pour le VeCSEL à QD.

Le démarrage de ce projet a été principalement consacré à la mise au point des différents éléments centraux du projets (modélisation, création des banc de mesure, étude et compatibilité matériaux, procédés technologiques). La plupart de ces briques élémentaires sont à présent effectives, ou en phase d'optimisation. Des premiers résultats significatifs sont attendus d'ici la fin de l'année 2017, auxquels 3 à 4 publications mono et multi partenaires devraient suivre. A ce jour, les travaux liés au projet ont donné lieu à une conférence internationale (oral), et une conférence nationale (poster).

Le projet IDYLIC propose de concevoir un émetteur laser bi-fréquences ultra-stable et cohérent, aux longueurs d’ondes télécom, pour les applications en optique micro-ondes. Les domaines d’applications principalement visées vont des technologies de communication radio sur fibre, de la génération et la détection de signaux radar, jusque la génération de signaux THz. Actuellement la plupart des lasers bi-fréquence (bi-f) ont été réalisés avec succès avec des lasers solides, au détriment d’une importante complexité et d’un manque réel de compacité imputable au pompage optique. En réponse à ce problème, on voit depuis peu l’émergence de dispositifs bi-f à semiconducteur (SC), permettant la réalisation de lasers plus compacts et en injection électrique. Néanmoins, la manipulation et/ou la fabrication de ces derniers restent encore très complexes, principalement lié au caractère homogène du gain des SC classiquement utilisés (puits quantiques). Fort de cela, une émission simultanée bi-f est difficile dans ces dispositifs à SC, laissant place à une compétition des modes. Toutefois, des lasers bi-f à SC ont pu être réalisés, au prix d’architectures complexes soit en ayant recourt à deux lasers DFB couplés en phase, ou encore par recourt à des cavités lasers dans lesquelles les deux modes du laser bi-f sont spatialement séparés. Dans le premier cas lié à la qualité spectrale médiocre de ces lasers, l’élargissement spectral de la raie de battement est très dégradé. Dans le second cas, la configuration bi-axe de la cavité laser apporte une complexité supplémentaire, qui s’avère incompatible avec une injection électrique.
L’originalité du projet IDYLIC repose principalement sur l’utilisation conjointe d’une zone active à SC présentant un fort caractère inhomogène, par analogie aux lasers solides, que sont les boites quantiques (BQs), avec une cavité laser externe et à émission verticale (VECSEL) permettant de bénéficier de forte puissance de sortie, d’un fonctionnement du laser en régime dit de classe A, et surtout de présenter une excellente finesse spectrale des raies lasers. Pour un tel dispositif, l’utilisation des QDs permet de ne plus devoir séparer spatialement les deux modes lasers (configuration mono-axe) pour bénéficier d’un régime bi-f stable, autorisant ainsi la réalisation d’une source plus compacte et plus simple, puisque le pompage électrique devient possible. Dans une première étape, le projet IDYLIC s’attèlera à démontrer une émission cohérente et bi-f aux longueurs d’onde proche de 1.5 µm, sur des VECSELs intégrant des BQs en configuration mono-axe, et sous pompage optique. Les propriétés intrinsèques des BQs seront exploitées, afin de couvrir des émissions lasers avec des différences de fréquences allant de 100 GHz jusque 4 THz, la cavité VECSEL permettant de prétendre à de très faibles élargissement de raie laser et de battement (< 10 kHz). Enfin, grâce à un procédé technologique constituant l’état de l’art, combinant le wafer fusion de miroirs AlAs/GaAs et le collage sur substrat diamant, des puissances de sortie des dispositifs au-delà du watt seront démontrés. Le second objectif important du projet IDYLIC est de développer des VECSEL pompés électriquement. L’injection électrique homogène sur ce type de dispositif présentant des modes lasers de grands diamètres (50-100 µm) n’est pas aisée. Toutefois, ce type d’injection s’avère nécessaire pour améliorer la compacité du dispositif en vue de son intégration système, mais elle permettra aussi de réduire significativement le bruit basse fréquence du laser.
Pour atteindre les objectifs décrits ci-dessus, le projet IDYLIC abordera tout aussi bien les problématiques de matériaux (BQs), de modélisation, de développement, et de caractérisations avancées. En fin de projet, des lasers à émission cohérente bi-fréquences seront testés et évalués au sein d’expérimentations micro-ondes, telles que la génération de rayonnement THz.