Prototype laser de l’Illinois : 1,5 micromètre sans répétition

À l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign (UIUC), un laser à semi-conducteur a produit un faisceau monomode à température ambiante, alors même que le motif qui guide sa lumière ne se répète pas. Le dispositif, qui constitue une preuve de concept, a émis à 1,5 micromètre et était alimenté par une source lumineuse externe — une méthode appelée photopompage — plutôt que par injection électrique.

Les lasers à cristaux photoniques à émission par la surface, ou PCSEL, utilisent un motif conçu avec précision pour contrôler la circulation de la lumière dans un semi-conducteur. La structure répartit l’interaction avec la lumière sur une vaste zone et en dirige une partie à travers la surface, produisant un faisceau étroit et contrôlé dans un mode optique unique. Les PCSEL classiques reposent toutefois généralement sur des motifs répétitifs, ce qui limite la liberté des ingénieurs pour faire varier la géométrie.

Cette limite pose également un problème de fabrication. Modifier la forme ou l’espacement de minuscules structures peut compliquer la fabrication, et la repousse du semi-conducteur peut déformer la géométrie conçue. L’approche à diélectrique enterré de l’équipe de l’UIUC consiste plutôt à structurer une couche de dioxyde de silicium avant de la recouvrir de semi-conducteur épitaxié, ce qui aide à préserver les structures à l’intérieur du dispositif.

Le nouveau laser utilise de minuscules structures en dioxyde de silicium à indice de réfraction plus faible, entourées d’un semi-conducteur à indice plus élevé. Leur position varie selon un motif quasi périodique contrôlé, au lieu de se répéter à intervalles fixes. Erin Raftery, autrice de l’étude et doctorante à l’UIUC, a déclaré que cette conception offrait davantage de souplesse pour ajuster les variations d’indice de réfraction ; le professeur d’ingénierie Kent Choquette a indiqué que différentes structures pourraient à terme être combinées sur un même substrat.

Concrètement, le bénéfice à court terme est une plus grande souplesse de conception, et non un produit fini : les ingénieurs pourraient disposer de davantage de liberté pour optimiser des lasers destinés à la détection, aux communications, à l’aérospatiale, à la défense et aux lidars à photonique sur silicium. Le dispositif reste une preuve de concept, et son fonctionnement par photopompage signifie qu’il ne constitue pas encore une diode laser pratique. Les performances rapportées ne démontrent pas non plus un avantage sur les PCSEL classiques selon tous les critères. Le prochain objectif de l’équipe est de mettre au point un dispositif à injection électrique.