Towards Single-Mode Continuous-Wave InP Based Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers at 2 µm

La lumière est un outil puissant pour voir le monde, mais toute la lumière n'est pas créée égale. Depuis des décennies, les scientifiques conçoivent des lasers qui projettent des faisceaux de lumière dans des couleurs spécifiques, ou longueurs d'onde, pour accomplir des tâches allant de la lecture de codes-barres au guidage de véhicules autonomes. La plupart des lasers courants fonctionnent dans la gamme du proche infrarouge, une bande de lumière située juste au-delà de ce que l'œil humain peut voir. Cependant, il existe une région différente du spectre, s'étendant de deux à deux et demi micromètres, qui offre des avantages uniques. Cette plage, connue sous le nom d'infrarouge à ondes courtes étendu, traverse l'atmosphère avec une clartité remarquable, ce qui la rend idéale pour la détection et la communication à longue distance. Crucialement, cette couleur spécifique de lumière est également sûre pour les yeux humains car les fluides internes de l'œil l'absorbent avant qu'elle ne puisse atteindre la rétine sensible. Pour exploiter ces avantages, les chercheurs ont besoin de lasers qui soient non seulement puissants, mais qui émettent également une couleur pure et unique sans s'éparpiller en un faisceau désordonné.

Une équipe de chercheurs de l'Université d'État de l'Ohio, travaillant aux côtés de collègues de l'Air Force Research Laboratory et de laboratoires nationaux, a franchi une étape significative vers la création de ces lasers spécialisés. Leurs travaux se concentrent sur un nouveau type de conception de laser appelée laser à émission de surface à cristal photonique. Contrairement aux lasers traditionnels qui projettent la lumière sur le côté ou par le haut d'une manière qui crée souvent un faisceau large et divergent, ces dispositifs utilisent une grille microscopique de trous gravés dans le matériau semi-conducteur. Cette grille agit comme un miroir qui force la lumière à voyager dans une seule direction et à émettre droit vers le haut depuis la surface, créant ainsi un faisceau serré et de haute qualité. Bien que des dispositifs similaires aient été construits pour des longueurs d'onde plus courtes, les chercheurs ont ciblé la difficile plage des deux micromètres. Ils ont choisi de construire ces lasers en utilisant un matériau appelé phosphure d'indium, un choix qui exigeait de prouver qu'il pouvait être aussi performant, voire meilleur, que le matériau plus courant, l'antimoniure de gallium, utilisé dans les tentatives précédentes.

Le voyage a commencé par une comparaison minutieuse des deux options de matériaux. Les chercheurs ont utilisé des modèles informatiques avancés pour simuler le comportement de la lumière à l'intérieur de lasers fabriqués soit à partir de phosphure d'indium, soit à partir d'antimoniure de gallium. Ils ont découvert que si l'antimoniure de gallium produisait une lumière légèrement plus forte à de faibles niveaux de puissance, le phosphure d'indium offrait un avantage distinct lorsque le laser était poussé plus fort. À mesure que le courant électrique augmentait, la conception en phosphure d'indium maintenait sa concentration sur la cible de deux micromètres, tandis que l'autre matériau commençait à décaler sa couleur. De plus, les chercheurs ont mené des simulations séparées pour calculer comment la chaleur se déplacerait à travers les couches du laser. Ils ont découvert que, bien que la structure en phosphure d'indium conduise la chaleur à travers ses couches internes plus efficacement que son concurrent — en raison de la conductivité thermique de la gaine en phosphure d'indium de 68 W/(m·K) contre 32 W/(m·K) pour l'antimoniure de gallium — l'élévation de température globale dans le dispositif est principalement déterminée par le boîtier et l'interface où le laser est monté, plutôt que par les couches semi-conductrices elles-mêmes. Par conséquent, le dispositif en antimoniure de gallium présentait une température de jonction légèrement plus élevée, avec une différence allant jusqu'à 7,9 °C lors de charges de puissance élevées, mais le défi de la gestion thermique pour les deux plateformes est largement dicté par l'interface de montage plutôt que par le choix du matériau seul.

Une fois le choix du matériau confirmé, l'équipe s'est tournée vers la conception physique du laser. Ils ont créé un motif microscopique de trous d'air, disposés en une grille carrée, gravés dans une fine couche du semi-conducteur. La taille et l'espacement de ces trous ont été calculés pour entrer en résonance avec la lumière à exactement deux micromètres. Un défi clé dans la construction de ces dispositifs est le processus de recroissance du matériau semi-conducteur sur les trous gravés. Si le matériau ne remplit pas parfaitement les trous, les performances du laser en pâtissent. Les chercheurs ont modélisé deux scénarios : un où les trous étaient remplis avec des parois parfaitement verticales, et un autre où les parois étaient légèrement inclinées, ressemblant à une forme de goutte inversée, ce qui se produit réellement lors du processus de fabrication. Leurs simulations ont montré que même avec ces parois légèrement inclinées et réalistes, le laser fonctionnerait toujours correctement, la lumière sélectionnant naturellement le mode le plus fort et le plus stable pour l'émission. Cela leur a donné la confiance que la conception était suffisamment robuste pour une fabrication réelle.

Pour prouver que leur conception fonctionnait, l'équipe a fabriqué et testé des lasers à émission de bord standard utilisant le même phosphure d'indium et la même région active qu'ils prévoyaient d'utiliser pour le dispositif final à émission de surface. Ces lasers de test n'étaient pas le produit final, mais servaient de preuve de concept cruciale. Lorsqu'ils sont mis sous tension, ces dispositifs ont émis avec succès de la lumière à une longueur d'onde de 2061 nanomètres, confirmant que le matériau pouvait effectivement générer la couleur souhaitée. Les lasers ont fonctionné en continu sans interruption, un test exigeant pour tout dispositif semi-conducteur. À température ambiante, ils produisaient une puissance constante de 42,5 milliwatts. À mesure que la température augmentait, les lasers restaient stables, bien que leur efficacité diminuât légèrement, un comportement typique pour ce type de technologie. L'équipe a également mesuré comment la couleur du laser changeait en fonction de la température, trouvant une relation prévisible qui permettait de calculer la résistance thermique du dispositif, une mesure de sa capacité à gérer la chaleur.

Les résultats de ce travail fournissent une feuille de route claire pour l'avenir des lasers à deux micromètres. En démontrant que le phosphure d'indium peut supporter un fonctionnement en mode continu à haute puissance à cette longueur d'onde, les chercheurs ont validé une plateforme de matériau plus facile à fabriquer et offrant des propriétés thermiques favorables par rapport aux alternatives. Ils ont montré que l'ingénierie microscopique requise pour créer ces lasers à émission de surface est réalisable, même avec les imperfections inhérentes au processus de fabrication. Bien que l'équipe n'ait pas encore construit le laser final à émission de surface monomode à deux micromètres, le test réussi des composants sous-jacents et la validation approfondie de la conception par simulation et expériences préliminaires suggèrent qu'un tel dispositif est à portée de main. Ce progrès rapproche la communauté scientifique de la possession de sources de lumière compactes, puissantes et sûres pour les yeux, capables de fonctionner dans le spectre très utile mais complexe de l'infrarouge à ondes courtes étendu.