Laser à électrons libres sur puce dans l'infrarouge – OFELIA

OFELIA vise à développer une nouvelle classe de dispositifs, à savoir un laser à électrons libres sur puce (FEL), et à apporter leur polyvalence à l'optique intégrée. Ces lasers reposeront sur l’émission Tchérenkov stimulée générée à l'intérieur d'une structure diélectrique périodique, traversée par un faisceau d'électrons émis par un canon à électrons intégré sur la même puce. Ces FEL seront constitués d’une cavité à cristal photonique, avec une structuration sous-longueur d'onde, associée, à un canon à électrons à effet de champ basse tension comprenant des électrodes pour focaliser les électrons. Grâce à cette conception originale de la cavité et du canon à électrons, ces FEL fonctionneront à une tension basse typique de 200 V et dans un vide modéré, de l’ordre du mbar, offrant des FEL de taille inférieure au millimètre, à faible coût, compatible CMOS et efficace énergétiquement. Ces FELs seront une première mondiale et deux gammes de longueurs d'onde seront spécifiquement ciblées dans ce projet comme preuve de concept en raison de leur importance: (i) le proche infrarouge, afin d'aborder les applications télécoms et relever le défi de l'émission lasers en photonique silicium et (ii) l'infrarouge moyen en raison de son importance dans l'identification de diverses molécules par spectroscopie, dans le domaine des contre-mesures militaires et également dans le domaine émergent des communications optiques en espace libre. Ne reposant pas sur le transport de charges dans un semi-conducteur, les lasers intégrés proposés devraient être plus robustes que les dispositifs à semi-conducteurs, en particulier dans des environnements extrêmes impliquant des températures élevées et une exposition à divers rayonnements (par exemple, le vide spatial, les réacteurs de centrale nucléaire,…).
Ce défi, qui peut conduire à un nouveau paradigme, la photonique à électrons libres, de l'UV au THz, sera relevé par quatre partenaires (C2N, ILM, LPS, TRT) qui couvrent toute l'expertise requise par le projet en photonique, en dynamique des faisceaux d'électrons, en nanofabrication ainsi qu’en conception et caractérisation de canons à électrons.