Laser à polaritons injecté electriquement à ultra-faible seuil – Plug-and-Bose

L’objectif du projet Plug-and-Bose est de réaliser un laser à polaritons injecté électriquement fonctionnant à la température ambiante (Tamb), et d’évaluer son potentiel comme source optique cohérente à faible consommation électrique.
Les diodes laser commerciales utilisent presque toutes le même mécanisme de gain : il s’agit de l’inversion de population dans un milieu actif dans lequel les trous et les électrons sont injectés depuis des contacts électriques, entrainant l’émission stimulée de photons. Cependant des études fondamentales ont montré qu’une lumière cohérente pouvait aussi être générée par des sources à semiconducteurs utilisant un autre effet physique : les lasers à polaritons. Au contraire des électrons et des trous dans les diodes laser conventionnelles, les polaritons sont des bosons et lorsque leur densité excède un certain seuil, ils peuvent condenser sur un même état et induire une émission cohérente. Le mécanisme de « gain » n’est pas l’émission stimulée mais la diffusion stimulée des polaritons par l’état final. Ce mécanisme entre en jeu à des densités bien plus faibles que la densité électrons-trous à la transparence, ce qui conduit à des seuils, observés expérimentalement, un à deux ordres de grandeur plus faibles que dans une diode laser conventionnelle. Un laser à ultra-faible seuil serait intéressant pour les applications nécessitant une réduction drastique de la consommation de puissance. Des calculs récents ont par exemple fixé un seuil de moins de 100 fJ d’énergie électrique par bit optique pour les liaisons optiques dans les réseaux de communications de données, ce qui représente une spécification sévère pour des nano-lasers conventionnels.
La température maximum de fonctionnement d’un laser à polaritons est liée à la stabilité de l’exciton, qui dépend du matériau. Avec les semiconducteurs à grand-gap GaN et ZnO, des lasers à polaritons ont été obtenus à Tamb et jusqu’à 150°C, sous pompage optique. Le passage au pompage électrique, à Tamb, et avec un faible seuil, représenterait une avancée majeure. Par exemple, pour les communications de données à très courte distance (les communications au plus près des processeurs), aucune solution optique ni aucun standard n’a encore émergé. Des sources cohérentes dans l’ultra-violet constituent une option possible, pour bénéficier des faibles effets parasites ou « cross-talks » attendus à cette longueur d’onde.
Cependant des questions restent ouvertes, notamment : i) quel est la meilleure configuration de source, et quel est le plus faible courant de seuil accessible à Tamb ? ; et ii) l’émission polaritonique peut-elle être modulée (et comment), et à quel débit ?
Notre projet examine ces questions, en développant une diode laser à polariton injectée électriquement fonctionnant à Tamb, à base de GaN ou ZnO. Nous nous intéresserons à la configuration de laser à émission par la surface en microcavité verticale, et à l’émission par la tranche en onde guidée, avec des avantages différents. L’approche microcavité est la plus connue et la plus mature en polaritonique, et notre consortium l’a déjà testée avec succès en pompage optique. D’un autre côté l’approche onde guidée –encore peu explorée aujourd’hui- est très attractive pour l’injection électrique, et pour sa compatibilité avec des circuits photoniques intégrés. Une part plus prospective et fondamentale du projet sera consacrée à l’évaluation des possibilités de modulation de l’émission. Il est prédit que la réponse intrinsèque d’un laser à polaritons en modulation directe, liée à la dynamique des excitons/polaritons, sera différente de celle d’une diode laser conventionnelle. Mais les parasites électriques de la structure diode représenteront un paramètre limitant dans les premiers dispositifs. Pour avancer dans l’étude des propriétés dynamiques, nous proposons des caractérisations résolues en temps en mode d’amplification, dans la géométrie de guide d’onde.