Nouveau microlaser pour l'application et la recherche

Représentation schématique d'un microlaser avec une grille de surface structurée avec une précision nanométrique. Le laser à semi-conducteur compact produit un faisceau lumineux dirigé avec un profil de faisceau parfaitement adapté à chaque application.

Grâce à l'épaisseur des poutres dans la grille de diffraction, à leurs espacements ainsi qu'à la profondeur des rainures, la longueur d'onde des faisceaux laser peut être réglée. En dessous de la grille de diffraction, on voit les quelques miroirs de Bragg situés au-dessus de la couche active (gris clair), où la radiation est générée. En dessous, il y a de très nombreuses couches de couches de miroirs de Bragg. (Image prise au microscope électronique)

Structure schématique du nouveau microlaser avec la couche inférieure composée de paires de miroirs de Bragg (DBR), la couche active en rouge, les quelques couches de paires de miroirs de Bragg au-dessus (DBR) et la grille de diffraction (MHCG).

Un concept innovant de micro-laser basé sur ce que l'on appelle des émetteurs de surface (VCSEL) a été développé par le département « Optoélectronique et composants quantiques » de la TU Berlin sous la direction du Prof. Dr. Stephan Reitzenstein. Ces nouveaux micro-lasers sont des diodes laser verticales, où la majorité des couches réfléchissantes supérieures ont été remplacées par une grille optique gravée dans le matériau semi-conducteur. De cette manière, il a été possible d'abréger presque de moitié le processus de fabrication des diodes laser. D'autre part, en intégrant une grille optique, on dispose d'une méthode permettant de produire en une seule étape de fabrication de nombreuses diodes avec différentes longueurs d'onde laser. Les résultats ont été obtenus en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Łódź (Pologne) et ont été publiés dans la revue « Optica ».

Ils sont en service depuis plus de deux décennies : des diodes laser qui émettent leur lumière perpendiculairement à la puce semi-conductrice dans laquelle elles se trouvent. Ces « VCSEL » (Laser à Cavité Verticale Émettant par la Surface) peuvent, contrairement aux diodes laser dont la lumière sort par une face latérale, coupler très efficacement le faisceau laser dans un guide d’onde lumineux. La raison en est leur géométrie ronde, leur petite taille, ainsi qu'une bonne qualité de faisceau et une capacité de mise au point. Les VCSEL sont donc utilisés, par exemple, dans de grands centres de données, où ils permettent une transmission efficace de l'information entre serveurs individuels. Ils sont également utilisés dans les téléphones portables pour la reconnaissance faciale.

Gain de temps pour la production industrielle

« Un VCSEL se compose essentiellement d'une couche active, où se forment les particules de lumière, ainsi que de couches de ce que l'on appelle des miroirs de Bragg au-dessus et en dessous. Ceux-ci réfléchissent la lumière de manière répétée vers la couche active afin de stimuler la formation d'autres particules de lumière. C'est l'effet laser typique, qui conduit à ce que toutes les ondes lumineuses oscillent parfaitement en phase à la fin », explique Stephan Reitzenstein. « Les couches de miroirs supérieures réfléchissent la lumière laser légèrement moins. Ainsi, une partie du faisceau laser peut s'échapper et être utilisée. »

Les chercheurs ont maintenant remplacé une grande partie des couches de miroirs supérieures par une fine grille de stries, gravée dans le matériau semi-conducteur à l'aide d'une procédure lithographique. Par diffraction des ondes lumineuses sur la grille et leur superposition ultérieure, on peut obtenir des effets similaires à ceux des couches de miroirs fabriquées de manière coûteuse. « La grande différence est, d'une part, que nous n'avons plus besoin d'appliquer autant de couches semi-conductrices successivement. C'est un processus long et coûteux, qui dure environ douze heures. En utilisant la grille, nous économisons environ la moitié de ce temps », explique Niels Heermeier, le premier auteur de l'étude. Cette économie de temps et de coûts est un facteur important pour la production industrielle.

Production simultanée de différentes diodes laser en une étape

« L'avantage encore plus important de la grille de stries est qu'elle permet de fabriquer simultanément, en une seule étape de production, des diodes laser avec différentes longueurs d'onde de sortie sur une même plaquette de semi-conducteur », explique Heermeier. Pour cela, lors du procédé d'attaque, plusieurs paramètres géométriques de la grille de stries sont modifiés selon la diode : l'épaisseur des barres de la grille, leur espacement, ainsi que la profondeur des rainures gravées entre elles. « Cette flexibilité ne nous est pas offerte lors de la dépôt des couches de miroirs, qui doivent se former uniformément sur toute la plaquette, déterminant ainsi des propriétés identiques pour toutes les diodes laser. »

Pour fabriquer précisément les nouvelles micro-lasers avec leurs caractéristiques individuelles, une précision extrême est nécessaire : les dimensions ne doivent pas dévier de plus de cinq nanomètres par rapport à la valeur cible. Comparé à la distance de la Terre à la Lune, d'environ 400 000 kilomètres, cela correspond à une déviation maximale admissible de deux mètres. Cette performance n'a été rendue possible que grâce à une installation de lithographie par faisceau d’électrons, disponible dans le département, acquise avec des fonds de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) et de la TU Berlin, et adaptée par les chercheurs à leur tâche dans un processus complexe.

Applications pour les centres de données, la conduite autonome et l’ordinateur optique

Outre leur utilisation dans les centres de données pour une couplage efficace des signaux dans des lignes de fibre optique, les micro-lasers pourraient également servir dans la méthode dite LIDAR (Light Detection and Ranging), qui mesure les distances à l’aide de faisceaux laser et joue un rôle important dans la conduite autonome. Ici, des configurations avec des diodes laser de différentes longueurs d’onde — comme celles qui peuvent être facilement fabriquées avec la nouvelle méthode — offrent une résolution nettement améliorée.

Les nouvelles diodes VCSEL pourraient également devenir un composant essentiel pour le matériel de l’informatique neuromorphique, utilisant des processeurs optiques, que le groupe de Stephan Reitzenstein développe en collaboration avec des collègues des universités de Berkeley et du MIT à Boston. Ces ordinateurs sont construits de manière analogique au cerveau humain et fonctionnent, au lieu de circuits électriques, avec des composants optiques et la lumière comme vecteur d’information. La plupart du temps, cette lumière provient d’un ensemble de plusieurs diodes laser sur la puce optique. « Il est crucial que la longueur d’onde de la lumière provenant des diodes laser soit exactement la même. Même de petites déviations lors de la fabrication peuvent entraîner des différences de longueur d’onde », explique Stephan Reitzenstein. Avec la nouvelle méthode, il serait possible, après la fabrication de la puce optique, de mesurer précisément les longueurs d’onde et de les ajuster ensuite en utilisant des structures de grille gravées après coup.

Vers une diode laser ultracompacte

Les nouvelles micro-lasers intéressent également la recherche fondamentale, car par hasard, les chercheurs du groupe collaboratif en Pologne ont réussi à réaliser pour la première fois dans des VCSEL classiques l’état quantique exotique d’un « condensat de Bose-Einstein » avec des particules de lumière. Ce phénomène peut désormais être étudié plus précisément avec ces nouvelles diodes laser, plus faciles à régler.

« La prochaine étape sera de remplacer également les couches de miroirs inférieures des nouvelles diodes VCSEL par une seconde grille de stries », indique Reitzenstein. « Cela rendrait le composant encore plus compact et plus rapide à produire. » Cependant, cette tâche est beaucoup plus complexe, car il faudrait alors retirer le matériau de support de la diode en dessous. » Selon Stephan Reitzenstein, le nouveau « Centre de Recherche en Photoniques Intégrées » (CIPHOR), qui sera construit à partir de 2028 sur le campus Est de la TU Berlin, revêt une importance particulière en tant qu’élément central du nouveau bâtiment de physique expérimentale. Celui-ci offrira à terme de nouvelles possibilités de fabrication grâce à ses salles blanches de haute technologie.