Révolutionner les lasers: technologie des anneaux semi-conducteurs réglables

Une équipe de scientifiques de l’Université technique 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 à anneau semi-conducteurs réglables. Ces lasers avancés ont le potentiel d’offrir des communications à haute puissance, des systèmes de sécurité plus sophistiqués, et bien plus encore. Voici ce que vous devez savoir.

Types de lasers réglables et leurs avantages

Ce n’est que six ans après que Theodore H. Maiman a démontré le premier laser à l’aide d’une tige de rubis synthétique que les chercheurs ont commencé à travailler sur les lasers réglables. Contrairement à leurs prédécesseurs à longueur d’onde fixe, ils peuvent être configurés pour émettre de la lumière sur diverses longueurs d’onde, ce qui les rend idéaux pour des applications de précision telles que les communications optiques et la microscopie. Ainsi, les lasers réglables sont devenus un composant crucial des domaines technologiques et médicaux d’aujourd’hui.

Catégories de lasers réglables: gaz, fibre, OPO et semi-conducteur

Aujourd’hui, il existe de nombreux types de lasers réglables, notamment les lasers à gaz, les lasers à fibre, les oscillateurs paramétriques optiques (OPO) et les lasers semi-conducteurs. Les lasers semi-conducteurs réglables sont considérés par beaucoup comme l’option la plus avancée. Ils offrent un facteur de forme compact, prennent en charge une large gamme de longueurs d’onde et fournissent une puissance adéquate.

Inconvénients des lasers réglables

La technologie des lasers réglables a connu d’énormes progrès en termes de capacités. Cependant, de nombreuses limitations freinent encore la technologie pour atteindre son plein potentiel. Par exemple, les lasers réglables avec de larges plages d’onde offrent souvent moins de précision. De plus, les coûts de fabrication de ces dispositifs et leur fragilité globale sont perçus comme des obstacles à leur avancement.

Comment régler les lasers semi-conducteurs

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

Source – Military Aerospace

La deuxième méthode de réglage des lasers semi-conducteurs utilise une cavité externe. Dans cette configuration, un réseau de diffraction rotatif reflète la longueur d’onde exacte dans la cavité. La cavité, qui excite la longueur d’onde en laser, peut être ajustée en la faisant pivoter.

Problèmes des lasers semi-conducteurs d’aujourd’hui

Le domaine des lasers semi-conducteurs présente certains inconvénients que les ingénieurs tentent de surmonter depuis de nombreuses années. D’une part, il reste difficile d’équilibrer précision et capacité de plage. Jusqu’à présent, on pouvait soit disposer d’un dispositif très précis, soit d’un dispositif capable de couvrir diverses longueurs d’onde de façon décente.

Un autre problème des lasers semi-conducteurs est la chute significative de leurs performances à mesure que la température augmente. Lorsqu’un laser semi-conducteur chauffe, il perd en puissance, en efficacité et peut même être endommagé. Ainsi, il a été impossible d’obtenir un réglage continu, sans sauts, sur une large gamme spectrale sur le long terme.

Étude sur les lasers à anneau semi-conducteurs

Conscients de ces limites, des ingénieurs de Harvard et des scientifiques d’autres institutions réputées se sont lancés dans la création du premier laser semi-conducteur à large spectre et haute précision. Ils ont documenté leur démarche dans l’étude “Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers” publiée dans la revue scientifique Optica.

L’article révèle leur travail sur un nouveau type de laser semi-conducteur réglable qui utilise une architecture de laser à cascade quantique en anneau (QCL) pour offrir une réglabilité fluide tout en supportant une gamme spectrale étendue. Notamment, les lasers à cascade quantique sont des lasers semi-conducteurs qui génèrent des faisceaux dans le spectre infrarouge lointain.

Conception du QCL en anneau: réseaux indépendants et adressables

L’équipe a commencé son travail en créant plusieurs petits QCL en anneau, chacun adressable de façon indépendante. Il est à noter que les lasers en anneau produisent deux faisceaux de lumière de même polarisation. Ces faisceaux sont dirigés dans des sens opposés autour d’une boucle fermée créée par des miroirs. Cette approche permet des mesures précises des plus petits mouvements. Ainsi, les lasers en anneau sont couramment utilisés dans les systèmes de navigation comme gyroscopes.

Dans ce cas, le scientifique a créé les lasers en anneau en utilisant du matériau actif de laser à cascade quantique et un procédé de gravure à sec. De plus, chaque anneau a reçu des contacts électriques ainsi qu’un guide d’onde bus. Les ingénieurs ont noté que cette approche offrait de meilleures performances, réduisant les pertes optiques du guide d’onde bus.

Chaque anneau a été conçu avec un rayon distinct. L’utilisation d’anneaux de tailles différentes a créé des fréquences de lasage distinctes pour chaque espace. Cette méthode a permis aux ingénieurs de régler chaque anneau séparément sans subir de chute de puissance laser.

Obtenir une émission monomode grâce aux coupleurs d’anneau

Cette approche unique a permis aux ingénieurs d’utiliser plusieurs anneaux ensemble pour générer des puissances et longueurs d’onde spécifiques. Le système a permis de combiner les faisceaux de chaque anneau dans un guide d’onde unique via des coupleurs directionnels à évanescence le long des sections droites des lasers. De façon astucieuse, les coupleurs directionnels ont empêché le gain du réseau en assurant que la lumière ne voyageait que dans une direction.

Émission du guide d’onde par conception à facette

L’équipe a noté que leur laser utilise une méthode unique d’émission de lumière. Ce système repose sur une approche d’émission à facette qui traverse un guide d’onde bus. Le guide d’onde peut être utilisé pour régler et amplifier les fréquences du laser selon les besoins, à température ambiante.

Conception modulaire du laser à anneau permettant l’évolutivité

La conception modulaire de cette configuration laser signifie que les ingénieurs peuvent l’adapter à n’importe quel besoin. De plus, les lasers à anneau peuvent fonctionner simultanément ou en mode anneau unique. Ainsi, la combinaison de lasers produit un faisceau plus fort et plus intense, ce qui le rend idéal pour certaines applications de haute technologie.

Test des lasers à anneau semi-conducteurs

Les ingénieurs ont testé leurs théories dans les installations de salle blanche du Centre pour les micro‑ et nanostructures de la TU Wien. Là, ils ont créé un dispositif laser avec 5 anneaux, chacun ayant un rayon distinct. Plus précisément, les tailles d’anneau variaient de 220 à 260 µm.

Une fois créés, ils ont testé différentes configurations laser 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 à anneau semi-conducteurs

Les résultats des tests ont confirmé les modèles des ingénieurs. L’équipe a noté que le QCL à anneau unique pouvait émettre jusqu’à 0,5 mW de faisceau en fonctionnement continu à température ambiante. Le test a également révélé que la puce laser maintenait une sortie de longueur d’onde stable, malgré une injection optique intense sur la facette du laser. Ces essais ont démontré que la nouvelle conception laser est résiliente face à des niveaux élevés de rétroaction optique.

De plus, les ingénieurs ont constaté que les performances étaient comparables à celles des lasers DFB à sections multiples. Cette découverte représente une étape majeure, car elle signifie que ces lasers peuvent être fabriqués sans la nécessité de graver un réseau unique le long de la région 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. L’action de balayage était fluide, avec un chevauchement spectral minimal entre chaque anneau. Notamment, le dispositif a produit un faisceau remarquablement stable sous de fortes injections optiques.

Avantages des lasers à anneau semi-conducteurs

De nombreux avantages découlent de cette étude pour le marché des lasers. Tout d’abord, cette conception ne comporte aucune pièce mobile et est beaucoup plus facile et abordable à fabriquer. En réduisant les coûts de création de lasers haut de gamme, elle ouvre la porte à davantage de scénarios d’utilisation et à une adoption plus large.

Petite taille

Le dispositif possède un facteur de forme réduit grâce aux lasers à anneau, qui peuvent être agrandis ou réduits selon les besoins spécifiques. Cette stratégie permet un réglage fin de la longueur d’onde et une émission stable. Les lasers plus petits contribueront à propulser les technologies futures et les appareils portables.

Il est à noter que les lasers réglables traditionnels n’émettent qu’une seule longueur d’onde à la fois. En revanche, la modularité des lasers à réseau d’anneaux permet à plusieurs anneaux de fonctionner simultanément et de cibler des longueurs d’onde individuelles en fonction du rayon de chaque anneau.

Réduction du rétro‑reflet et amélioration de la stabilité du faisceau

L’utilisation de plusieurs lasers à anneau et de coupleurs unidirectionnels aide à réduire les réflexions arrière, qui posaient problème aux conceptions laser précédentes. Ainsi, cette structure peut supporter des lasers puissants capables de gérer davantage d’énergie pour créer des faisceaux plus forts que leurs prédécesseurs ne pouvaient produire.

Applications réelles des lasers à anneau semi-conducteurs

Il existe plusieurs applications concrètes pour cette technologie. D’une part, les lasers sont un élément crucial dans de nombreux domaines de haute technologie d’aujourd’hui. Créer des dispositifs plus puissants et utiles contribuera à réduire le coût des technologies actuelles tout en stimulant l’introduction de produits innovants. Voici d’autres cas d’utilisation pour cette technologie.

Communications

L’industrie des télécommunications recherche constamment des lasers plus puissants. Cette dernière avancée pourrait aider à créer des super‑réseaux capables de transmettre des données à très haut débit, à un niveau auparavant inimaginable. Ces dispositifs pourraient un jour transmettre des données à travers l’univers, maintenant les voyageurs spatiaux en contact avec la Terre depuis des millions de kilomètres.

Médical

Le domaine médical utilise les lasers pour de nombreuses raisons. De la détection de maladies à la correction de la vision, ces lasers contribueront à améliorer la santé de millions de personnes à l’avenir. Leur petite taille, leur flexibilité accrue et leur précision aideront à alimenter une nouvelle génération de services et de procédures médicales automatisées.

Sécurité

Les scanners laser à haute puissance sont un composant essentiel dans plusieurs industries, notamment les secteurs du gaz et de la chimie. Ces dispositifs détectent les moindres anomalies afin de prévenir des défaillances catastrophiques. Cette technologie pourrait aider à détecter les fuites dans les pipelines de gaz, le déclin des infrastructures et d’autres tâches cruciales qui assurent la sécurité de la population.

Chronologie des lasers à anneau semi-conducteurs

Les lasers à anneau semi-conducteurs pourraient arriver sur le marché dans les 5 à 7 ans à venir. La demande immédiate pour cette technologie est forte, et les fabricants seront désireux de l’utiliser pour créer des produits plus petits et plus avancés. Cette chronologie sera plus courte pour l’intégration militaire, qui pourrait voir un développement accéléré afin de répondre aux exigences croissantes des futurs champs de bataille.

Chercheurs des lasers à anneau semi-conducteurs

L’étude sur les lasers à anneau semi-conducteurs a été le fruit d’un effort conjoint entre la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et l’Université technique de Vienne (TU Wien). La recherche a été co‑dirigée par Federico Capasso et Vinton Hayes. De plus, l’étude cite Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak et Benedikt Schwarz comme contributeurs essentiels. Notamment, le Département de la Défense et la National Science Foundation ont financé l’étude via une subvention.

Quelles sont les prochaines étapes pour les lasers à anneau semi-conducteurs?

Les chercheurs sont en plein processus de dépôt de brevets sur leur travail. Par la suite, ils chercheront des fabricants afin de réduire davantage les coûts de production. De plus, l’équipe étudiera les effets de l’extension du dispositif avec davantage d’anneaux.

Investir dans le secteur des lasers

De nombreuses entreprises du secteur des lasers ont acquis une réputation de qualité et de service excellent. Ces sociétés ont dépensé des millions au fil des décennies pour rechercher comment créer les lasers les plus efficaces et utiles. Voici une entreprise qui a contribué à fournir au marché des dispositifs fiables.

Laser Photonics Corporation 

Laser Photonics Corporation

est entrée sur le marché en 1981 pour fournir des lasers industriels haut de gamme. L’entreprise est située à Orlando, en Floride, et propose actuellement une gamme de produits incluant le nettoyage laser, la découpe et les systèmes de défense. (LASE )

Laser Photonics Corporation a acquis une réputation de leader de l’industrie grâce à ses pratiques commerciales solides et à ses lasers fiables. Ces dispositifs offrent des solutions haute performance sans entretien au marché. De plus, l’entreprise se concentre sur la fabrication de produits respectueux de l’environnement et durables.

En octobre 2022, Laser Photonics Corporation a organisé une introduction en bourse qui a permis de lever 55 M $ de financement. Depuis, l’entreprise a continuellement élargi son offre et sa clientèle. Aujourd’hui, Laser Photonics Corporation dessert plusieurs entreprises du Fortune 500 et est considérée comme un leader du secteur.

Lasers à anneau semi-conducteurs | Conclusion

Il y a beaucoup de raisons d’être enthousiaste lorsqu’on discute de l’étude sur les lasers semi-conducteurs réglables. Ces dispositifs pourraient remodeler de multiples industries et aider à réduire le coût et la taille de l’électronique future. Le fait que leur fabrication soit plus simple que les options actuelles et qu’ils offrent un réglage large et précis des longueurs d’onde dans un format compact de la taille d’une puce en fait une victoire pour l’ensemble du secteur.

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Études référencées:

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso, and Benedikt Schwarz, “Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers,” Optica 12, 985-990 (2025)}