Peignes de fréquence infrarouge moyen à base de lasers à cascade interbande – ACTIVE-COMB

Les peignes de fréquences (frequency combs (FCs)) sont des sources optiques cohérentes émettant un large spectre constitué de modes discrets et parfaitement espacés, chacun ayant une fréquence absolue mesurable avec la précision d'une horloge atomique. Après 20 ans de développement dans le domaine du proche infrarouge et du visible, les peignes de fréquences ont révolutionné la métrologie des fréquences. Suite à ces développements, l’intérêt s’est récemment reporté sur les FCs dans le moyen-infrarouge (MIR 3-12 µm) pour leur utilisation en spectroscopie moléculaire. En effet, ceci permettrait de capitaliser sur l'absorption géante des modes moléculaires de vibration et de rotation dans cette région du spectre électromagnétique ainsi que la capacité à mettre en œuvre une spectroscopie améliorée en terme de vitesse, résolution, largeur de bande spectrale, sensibilité et précision par rapport aux approches classiques. Une myriade d’approches pour les FC fonctionnant dans le MIR sont actuellement à l’étude, chacune promettant d‘implémenter de nouveaux concepts à la spectroscopie MIR.

Néanmoins, le fonctionnement des FCs dans la région importante de l’infrarouge ‘Mid-Wave’ (MWIR) de 3 µm à 5 µm reste considérablement sous-développé par rapport aux autres parties du MIR. Le MWIR est significatif car les produits chimiques à base d'hydrocarbures, ainsi que de composés organiques contenant de l'oxygène ou de l'azote y possèdent des signatures spectroscopiques fortes, soulignant toute l'importance du MWIR dans le contrôle des émissions environnementales et industrielles. Cette région MWIR est aussi la gamme idéale pour les lasers à cascade interbandes (ICLs). En effet, ce nouveau type d’émetteurs optiques semi-conducteurs associe une transition interbande d’un laser à diode classique au schéma en cascade des porteurs introduit par les lasers à cascade quantique (QCLs). Il est important de noter que les ICLs ont généralement des seuils de puissance pour l’action laser d'un ordre de grandeur inférieur par rapports des QCLs, ce qui les rend idéaux pour les systèmes extrêmement compacts, stables et alimentés par batterie. En outre, la dynamique de gain relativement «lente» des ICLs, contrairement aux QCLs, les rend simultanément adaptables au verrouillage des modes actifs et passifs, ce qui facilite la possibilité des FCs. Ces trois principaux points i) l’émission dans la gamme 3 - 5 µm, ii) de faibles besoins en énergie électrique et iii) de la dynamique inhérente les rendent idéaux pour un fonctionnement miniature des FC dans le MWIR.

Le projet ACTIVE-COMB vise à apporter une solution technologique qui comblera cette fenêtre spectrale pour y réaliser des peignes de fréquences basés sur ICLs dans la gamme MWIR avec des puissances de sortie dans la gamme des milli-watts, en utilisant simultanément des techniques actives et passives dans une géométrie monolithique et donc extrêmement compacte. Cela reposera sur de nouvelles structures de bande, de nouveaux guides d’onde et un contrôle de la dispersion permettant de réaliser cet objectif ambitieux, ainsi que la mise au point de techniques ultra-rapide novatrice pour caractériser dans son ensemble la nature des peignes de fréquences.