Révolutionner les lasers : technologie des anneaux semi-conducteurs accordables

Une équipe de scientifiques de l'Université de technologie de Vienne (TU Wien) et de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) vient de dévoiler une nouvelle méthode de fabrication de lasers annulaires à semi-conducteurs accordables. Ces lasers avancés offrent le potentiel de fournir des communications de haute puissance, des systèmes de sécurité plus performants et bien plus encore. Voici ce que vous devez savoir.

Types de lasers accordables et leurs avantages

Ce n'est que six ans après la démonstration par Theodore H. Maiman du premier laser utilisant une tige de rubis synthétique que les chercheurs ont commencé à travailler sur les lasers accordables. Contrairement à leurs prédécesseurs à longueur d'onde fixe, ils peuvent être configurés pour émettre de la lumière sur différentes longueurs d'onde, ce qui les rend idéaux pour des applications de précision comme les communications optiques et la microscopie. De ce fait, les lasers accordables sont devenus un élément essentiel des secteurs de la haute technologie et de la médecine d'aujourd'hui.

Catégories de lasers accordables : gaz, fibre, OPO et semi-conducteurs

Il existe aujourd'hui de nombreux types de lasers accordables, notamment les lasers à gaz, les lasers à fibre, les oscillateurs paramétriques optiques (OPO) et les lasers à semi-conducteurs. Les lasers à semi-conducteurs accordables sont considérés par beaucoup comme l'option la plus avancée. Ils offrent un format compact, prennent en charge une large longueur d'onde et fournissent une puissance adéquate.

Inconvénients des lasers accordables

La technologie des lasers accordables a connu des avancées considérables en termes de capacités. Cependant, de nombreuses limitations l'empêchent encore d'atteindre son plein potentiel. Par exemple, les lasers accordables à large plage d'ondes offrent souvent une précision moindre. De plus, les coûts de fabrication de ces dispositifs et leur fragilité générale sont considérés comme des obstacles à leur développement.

Comment régler les lasers à semi-conducteurs

Il existe deux méthodes principales pour créer et régler les lasers à semi-conducteurs. La première nécessite l'ajout d'un réseau précis sur la crête laser. Ce réseau est découpé à des angles précis à l'échelle nanométrique pour créer une rétroaction optique sélective en fréquence. Cette configuration permet aux ingénieurs d'amplifier une longueur d'onde particulière et de réduire les interférences des autres longueurs d'onde en modifiant le courant du laser.

La source - Aérospatiale militaire

La deuxième méthode de réglage des lasers à semi-conducteurs utilise une cavité externe. Dans ce dispositif, un réseau de diffraction rotatif réfléchit la longueur d'onde exacte dans la cavité. La cavité, qui excite la longueur d'onde dans un laser, peut être ajustée par rotation.

Problèmes avec les lasers à semi-conducteurs actuels

Le domaine des lasers à semi-conducteurs présente certains inconvénients que les ingénieurs ont passé de nombreuses années à tenter de surmonter. Tout d'abord, il reste l'équilibre entre précision et portée. Jusqu'à présent, on pouvait disposer d'un appareil très précis ou capable de couvrir correctement diverses longueurs d'onde.

Un autre problème des lasers à semi-conducteurs est leur baisse significative de performance à mesure que la température augmente. Lorsqu'un laser à semi-conducteur chauffe, il perd en puissance, en efficacité et peut même être endommagé. Il est donc impossible d'obtenir un réglage continu et sans sauts sur un large spectre.

Étude sur les lasers annulaires à semi-conducteurs

Conscients de ces limites, des ingénieurs de Harvard et des scientifiques d'autres institutions réputées ont entrepris de créer le premier laser à semi-conducteur à large spectre et de haute précision. Ils ont documenté leur démarche dans l'étude « Lasers annulaires à semi-conducteurs à réglage continu et large" publié dans la revue scientifique Optica.

L'article présente leurs travaux sur un nouveau type de laser à semi-conducteur accordable, utilisant une architecture laser à cascade quantique (QCL) à réseau annulaire pour une accordabilité fluide tout en prenant en charge une gamme spectrale étendue. Les lasers à cascade quantique sont notamment des lasers à semi-conducteurs qui produisent des faisceaux dans l'infrarouge lointain.

Conception QCL en anneau : réseaux indépendants et adressables

L'équipe a commencé ses travaux en créant plusieurs petits lasers annulaires QCL adressables indépendamment. Les lasers annulaires comportent notamment deux faisceaux lumineux de même polarisation. Ces faisceaux sont dirigés dans des directions opposées autour d'une boucle fermée créée par des miroirs. Cette approche permet de mesurer avec précision le moindre mouvement. C'est pourquoi les lasers annulaires sont couramment utilisés dans les systèmes de navigation comme gyroscopes.

Dans ce cas, les scientifiques ont créé les lasers annulaires à l'aide d'un matériau actif laser à cascade quantique et d'un procédé de gravure sèche. De plus, chaque anneau était doté de contacts électriques et d'un guide d'ondes de bus. Les ingénieurs ont constaté que cette approche offrait des performances améliorées, réduisant les pertes optiques du guide d'ondes de bus.

Chaque anneau a été conçu pour avoir un rayon distinct. L'utilisation d'anneaux de tailles différentes a permis de créer des fréquences laser distinctes pour chaque espace. Cette approche a permis aux ingénieurs de régler chaque anneau séparément sans subir de baisse de puissance laser.

Obtention d'une émission monomode à l'aide de coupleurs annulaires

Cette approche unique a permis aux ingénieurs d'utiliser plusieurs anneaux ensemble pour créer des puissances et des longueurs d'onde spécifiques. Le système leur a permis de combiner les faisceaux de chaque anneau en un seul guide d'ondes grâce à des coupleurs directionnels évanescents situés le long des sections droites des lasers. Ces coupleurs directionnels ont permis d'éviter les réseaux de gain en garantissant que la lumière ne se propage que dans une seule direction.

Émission de guide d'ondes grâce à une conception à facettes

L'équipe a constaté que son laser utilise une méthode unique d'émission lumineuse. Ce système repose sur une approche d'émission par facettes passant par un guide d'ondes bus. Ce guide d'ondes permet d'accorder et d'amplifier les fréquences laser selon les besoins, à température ambiante.

La conception modulaire du laser annulaire permet une évolutivité

La conception modulaire de cette configuration laser permet aux ingénieurs de l'adapter à tous les besoins. De plus, les lasers annulaires peuvent fonctionner simultanément ou en mode annulaire unique. Ainsi, la combinaison des lasers produit un faisceau plus puissant et plus intense, idéal pour certaines applications de haute technologie.

Test des lasers annulaires à semi-conducteurs

Les ingénieurs ont testé leurs théories dans la salle blanche du Centre de micro et nanostructures de l'Université technique de Vienne. Ils y ont créé un dispositif laser composé de cinq anneaux, chacun doté d'un rayon distinct. Plus précisément, la taille des anneaux variait de 5 à 220 µm.

Une fois le laser créé, l'équipe a testé différentes configurations et longueurs d'onde. Dans un cas, ils ont combiné la plage de réglage de trois anneaux différents pour tester un réglage sans saut de mode sur de larges bandes passantes.

Résultats des tests des lasers annulaires à semi-conducteurs

Les résultats des tests ont corroboré les modèles des ingénieurs. L'équipe a constaté que le QCL à anneau unique pouvait émettre un faisceau allant jusqu'à 0.5 mW en fonctionnement continu à température ambiante. Les tests ont également révélé que la puce laser maintenait une longueur d'onde stable, malgré une injection optique intense sur la facette laser. Ces tests ont démontré la résilience de la nouvelle conception laser face à une forte rétroaction optique.

De plus, les ingénieurs ont constaté que les performances étaient comparables à celles des lasers DFB multisections. Cette découverte constitue une étape majeure, car elle permet de fabriquer ces lasers sans avoir à fabriquer un réseau unique le long de la zone active de chaque laser.

Plus précisément, l'équipe a pu utiliser les trois anneaux laser pour balayer en douceur des bandes passantes optiques allant de 266 GHz à 395 GHz. Le balayage était fluide et le chevauchement spectral entre chaque anneau était minimal. Le dispositif a notamment généré un faisceau remarquablement stable sous une forte injection optique.

Avantages des lasers annulaires à semi-conducteurs

Cette étude apportera de nombreux avantages au marché du laser. Tout d'abord, cette conception ne comporte aucune pièce mobile et est beaucoup plus simple et abordable à fabriquer. En réduisant les coûts de création de lasers haut de gamme, elle ouvre la voie à de nouveaux cas d'utilisation et à de nouvelles adoptions.

Petite taille

Le dispositif, de format compact, utilise des lasers annulaires adaptables à des besoins spécifiques. Cette stratégie permet un réglage précis de la longueur d'onde et une émission stable. Des lasers plus petits contribueront à propulser les technologies et les objets connectés du futur.

En particulier, les lasers accordables traditionnels émettent une seule longueur d'onde à la fois. En revanche, la modularité des lasers à réseau annulaire permet à plusieurs anneaux de fonctionner simultanément et de cibler des longueurs d'onde individuelles en utilisant un rayon d'anneau différent.

Rétroaction réduite et stabilité du faisceau améliorée

L'utilisation de lasers à anneaux multiples et de coupleurs unidirectionnels permet de réduire la rétroréflexion, un problème qui affectait les conceptions laser précédentes. Cette structure permet ainsi de prendre en charge des lasers puissants capables de gérer une énergie supérieure pour créer des faisceaux plus puissants que ceux de leur prédécesseur.

Applications concrètes des lasers annulaires à semi-conducteurs

Cette technologie offre de nombreuses applications concrètes. Par exemple, les lasers représentent un concurrent crucial dans de nombreux secteurs de haute technologie actuels. La création d'appareils plus puissants et plus pratiques contribuera à réduire le coût des technologies actuelles tout en favorisant l'introduction de produits innovants. Voici quelques autres cas d'utilisation de cette technologie.

Communications

L'industrie des télécommunications est constamment à la recherche de lasers toujours plus puissants. Cette dernière avancée pourrait contribuer à la création de super-réseaux capables de transmettre des données à haut débit à un niveau jusqu'alors inimaginable. Ces dispositifs pourraient un jour être utilisés pour transmettre des données à travers l'univers, permettant ainsi aux voyageurs spatiaux de rester en contact avec la Terre à des millions de kilomètres de distance.

Médical

Le domaine médical utilise les lasers pour de nombreuses raisons. Du dépistage des maladies à la correction de la vue, ces lasers contribueront de multiples façons à améliorer la santé de millions de personnes à l'avenir. Leur taille réduite, leur flexibilité et leur précision accrues permettront d'automatiser une nouvelle génération de services et de procédures médicales.

Sécurité

Les scanners laser haute puissance sont essentiels dans de nombreux secteurs, notamment ceux du gaz et de la chimie. Ces appareils détectent les moindres problèmes afin de prévenir les pannes catastrophiques. Cette technologie pourrait contribuer à la détection des fuites dans les gazoducs, au déclin des infrastructures et à d'autres tâches cruciales pour la sécurité de la population.

Chronologie des lasers annulaires à semi-conducteurs

Les lasers annulaires à semi-conducteurs pourraient arriver sur le marché d'ici 5 à 7 ans. La demande pour cette technologie est immédiate, et les fabricants seront impatients de l'utiliser pour créer des produits plus compacts et plus sophistiqués. Ce délai sera plus court pour l'intégration militaire, ce qui pourrait accélérer le développement afin de répondre aux exigences croissantes des futurs champs de bataille.

Chercheurs sur les lasers annulaires à semi-conducteurs

L'étude sur le laser annulaire à semi-conducteurs est le fruit d'un effort conjoint de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et de l'Université de technologie de Vienne (TU Wien). La recherche a été codirigée par Federico Capasso et Vinton Hayes. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak et Benedikt Schwarz figurent parmi les contributeurs clés de l'étude. Le ministère de la Défense et la National Science Foundation ont notamment financé l'étude grâce à une subvention.

Quelle est la prochaine étape pour les lasers annulaires à semi-conducteurs ?

Les chercheurs sont en train de déposer un brevet pour leurs travaux. Ils chercheront ensuite des fabricants afin de réduire encore davantage les coûts de production. De plus, l'équipe étudiera les effets de l'extension du dispositif à l'aide d'anneaux supplémentaires.

Investir dans le secteur du laser

De nombreuses entreprises du secteur du laser se sont forgées une réputation de qualité et d'excellence de service. Au fil des décennies, elles ont investi des millions de dollars dans la recherche pour créer les lasers les plus économes en énergie et les plus performants. Voici une entreprise qui a contribué à fournir au marché des appareils fiables.

Société de photonique laser 

Société de photonique laser

Lancée sur le marché en 1981, elle proposait des lasers industriels haut de gamme. Implantée à Orlando, en Floride, l'entreprise propose aujourd'hui une gamme de produits comprenant des systèmes de nettoyage, de découpe et de défense laser. (LASE )

Laser Photonics Corporation s'est forgé une réputation de leader du secteur grâce à ses pratiques commerciales rigoureuses et à la fiabilité de ses lasers. Ces appareils offrent des solutions hautes performances sans entretien. De plus, l'entreprise s'attache à rendre ses produits respectueux de l'environnement et durables.

En octobre 2022, Laser Photonics Corporation a procédé à une introduction en bourse qui a permis de lever 55 millions de dollars. Depuis, l'entreprise n'a cessé d'élargir son offre et sa clientèle. Aujourd'hui, Laser Photonics Corporation fournit ses services à plusieurs entreprises du Fortune 500 et est considérée comme un leader du secteur.

Lasers annulaires à semi-conducteurs | Conclusion

L'étude sur les lasers à semi-conducteurs accordables suscite de nombreux enthousiasmes. Ces dispositifs pourraient révolutionner de nombreux secteurs et améliorer ou réduire le coût et la taille de l'électronique du futur. Leur conception plus simple que celle des solutions actuelles et leur capacité à accorder une longueur d'onde large et précise dans un format compact de la taille d'une puce en font un atout majeur pour l'ensemble du secteur.

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Études référencées :

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso et Benedikt Schwarz, « Lasers annulaires à semi-conducteurs à accordage continu et étendu », Optica 12, 985-990 (2025)}