Ils sont composés de lasers DFB III-V QW/QD et de résonateurs à microrésonance en SiN. Crédit : Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric Grillot, John E. Bowers, et Yating Wan
Les diodes laser à base de matériaux semi-conducteurs à puits quantique (QW) et à points quantiques (QD) intégrées à des microrésonateurs SiN présentent un potentiel prometteur en raison de leur rendement énergétique élevé et de leur taille compacte. Une étude dirigée par le professeur Yating Wan a exploré la conception et la fonctionnalité de ces lasers à cavité composite, offrant ainsi des indications précieuses pour le développement futur de la technologie des diodes laser.
Sommaire
Diodes laser à points quantiques et à puits quantiques : L’avenir des microrésonateurs
Les diodes laser sur puce basées sur des matériaux semi-conducteurs à puits quantiques (QW) et à points quantiques (QD) sont aujourd’hui des candidats de premier plan pour diverses applications. Leurs caractéristiques attrayantes comprennent un rendement énergétique élevé, la capacité de fonctionner à des températures élevées et une taille compacte. Alors que les QW ont été largement mis en œuvre dans les produits commerciaux, les QD, avec leur densité d’états unique en dimension zéro et leur dégénérescence semblable à celle d’un atome, constituent une alternative prometteuse.
L’intégration hétérogène de lasers III-V avec des microrésonateurs en nitrure de silicium (SiN), facilitée par le verrouillage de l’auto-injection, ajoute des avantages intrinsèques. Il s’agit notamment de la compacité, du potentiel de production en grande quantité et d’une stabilité accrue. Cette technologie permet d’obtenir des performances supérieures en matière de réduction de la largeur de ligne par rapport aux lasers III-V cultivés sur des plates-formes natives.
a,b Largeur de ligne FWHM du laser III-V/SiN QD en fonction de la densité de courant d’injection pour différentes couches de QD (a) et densités de QD (b). c,d Cartes de couleurs de la puissance de sortie (gauche) et de l’efficacité de la prise murale (droite) en fonction des couches de QD (c) et de la densité de QD (d). Crédit : Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric Grillot, John E. Bowers et Yating Wan.
Une nouvelle étude explore les dispositifs à puits quantique et à points quantiques
Une étude récemment publiée dans la revue Light Science & ; Application s’est penchée sur une étude paramétrique de la conception du milieu actif des lasers à cavité composite. Cette étude a été dirigée par le professeur Yating Wan du laboratoire de photonique intégrée de l’université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST), en Arabie saoudite, le Dr Weng W. Chow des Sandia National Laboratories, Albuquerque, États-Unis, le professeur Frédéric Grillot du LTCI, Télécom Paris, Institut polytechnique de Paris, France, et le professeur John Bowers de l’université de Californie à Santa Barbara, États-Unis.
L’équipe s’est concentrée sur l’impact du confinement quantique des porteurs sur les caractéristiques dynamiques et spectrales du dispositif à cavité composite verrouillée. L’accent a été mis sur l’affinement du spectre d’émission, ou le rétrécissement de la largeur de ligne, lors de l’intégration de lasers à QW ou QD III-V à rétroaction distribuée (DFB) avec des résonateurs à microréseaux SiN. Emad Alkhazraji, premier auteur de l’article de recherche, a expliqué le principe qui sous-tend cette amélioration. « Lorsqu’elle est correctement réglée et verrouillée sur un ou plusieurs modes de la galerie de chuchotement du microréseau, la rétroaction optique sous forme de rétrodiffusion de Rayleigh peut permettre des réductions drastiques de la largeur de raie d’émission d’une diode laser jusqu’au niveau du Hz », a expliqué M. Alkhazraji.
Il montre l’espace de conception 4D et les points optimaux pour chaque dispositif. Crédit : Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric Grillot, John E. Bowers, et Yating Wan
Résultats et implications pour la conception future
L’étude paramétrique s’est achevée par une analyse d’optimisation multi-objectifs des opérations de conception des dispositifs QW et QD par le biais d’un algorithme génétique. Un algorithme multidécisionnel a ensuite été utilisé pour déterminer les points optimaux de conception-opération pour chaque variable d’optimisation.
« Ces résultats fournissent des orientations pour des études paramétriques plus complètes qui peuvent produire des résultats opportuns pour la conception technique », a conclu le professeur Yating Wan. L’étude met en évidence le potentiel d’amélioration et de développement dans le domaine de la technologie des diodes laser.
Référence : « Linewidth narrowing in self-injection-locked on-chip lasers » par Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric Grillot, John E. Bowers et Yating Wan, 28 juin 2023, Light Science & ; Applications.
DOI: 10.1038/s41377-023-01172-9
Financement : Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), ministère américain de l’énergie, American Institute for Manufacturing (AIM) Integrated Photonics.