Photonique@SUPELEC
Actualités

International Travelling Summer School on Microwaves and Lightwaves, SUPELEC, Metz, 03-09 Juillet 2010.

OPTEL animera des stands pédagogiques sur les applications du LASER, dans le cadre de l’événement « 50 ans du Laser dans la Ville Lumière », à Paris les 22 et 23 juin 2010.

Séminaire du Prof. Majid TAKI (Lab. CNRS PhLAM, Univ Lille 1) le 04-03-2010 14h30.

Remise du prix du Chercheur en Région Lorraine à Marc SCIAMANNA le 04-02-2010 09h30 (Conseil Régional de Lorraine, Place Gabriel Hocquard Metz)

OPTEL co-organise la conférence SPIE Photonics Europe, Bruxelles (Belgique), 12-16 avril 2010

L’ANR finance les projets CONTINUUM, MARSUPILAMI et VERTIGAN à partir du 01-01-2010

Marc SCIAMANNA reçu par Mme la Ministre de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Valérie Pécresse le 22-10-2009, parmi les lauréats ERC StG 2009

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Nouvelles sources lasers

VCSELs et RC-LEDs à base de GaN pour l’UV
img3SUPELEC, membre de l’Institut Carnot C3S (Centrale Supelec Sciences des Systèmes), participe, en collaboration l’IAF (Institut Fraunhofer de Fribourg (Allemagne)), au projet VERTIGAN (Vertical-cavity emitters based-on GaN for optical fiber sensors) co-financé par l’ANR et le Ministère allemand de la Recherche. Ce projet s’effectue au sein du LMOPS (Laboratoire Matériaux pour l’Optique, la Photonique et les Systèmes), EA 4423 de l’Université Paul Verlaine de Metz, en collaboration avec l’UMI GTL/GT-CNRS n°2958 de Metz. L’objectif de ce projet est de développer un nouveau type de diode électroluminescente à cavité verticale (appelée aussi RC-LED pour Resonant Cavity- Light Emitting Diode) émettant dans le proche UV autour de 400 nm pour réaliser des sources fibrées. Le composant en cours de développement est présenté sur la figure ci-contre. Certaines parties de ce composant seront réalisés à l’IAF (miroir diélectrique supérieur, zone à multi-puits quantiques), d’autre à Metz (miroir de Bragg AlGaN/GaN). Ce type de diodes électroluminescentes présentent de nombreux avantages comme une excellente directivité du faisceau émis, une faible largeur spectrale ou encore une grande efficacité quantique qui vont lui permettre de remplacer avantageusement les lampes Deuterium-halogen utilisées habituellement pour cette gamme de longueur d’onde et qui présentent notamment de fortes pertes lors du couplage avec les fibres. Les sources fibrées développées dans le projet VERTIGAN sont principalement destinées à la détection de gaz par spectroscopie optique (des gaz comme NO2, SO2 ou HNO2 présentent en effet des raies d’absorption caractéristiques dans l’UV) mais d’autre applications peuvent être envisagées dans le domaine médical ou du stockage des données par exemple.

Contacts transparents adaptés au moyen Infra-rouge
Contexte de l’étude : Pour les VCSELs pompés électriquement en général et ceux émettant dans le moyen Infra-Rouge en particulier (λ > 2 µm et fabriqués à partir d’antimoniures), l’optimisation des caractéristiques thermiques, électriques et optiques passent par une homogénéisation maximale de l’injection des porteurs au sein de la structure. L’une des solutions possibles pour atteindre cet objectif consiste à utiliser une électrode transparente qui permettrait d’injecter les porteurs tout en laissant passer la lumière émise. Un tel contact permettrait notamment de diminuer le courant de seuil du laser et d’améliorer la qualité du faisceau émis. Cependant, à l’heure actuelle, la longueur d’onde maximale de fonctionnement d’un VCSEL intégrant une électrode transparente publiée dans la littérature reste limitée à 1,55 µm . Augmenter une telle limite représente donc un challenge de tout premier ordre. Deux configurations sont envisageables pour l’intégration d’un contact transparent au sein d’une structure VCSEL : en tant que contact supérieur au sommet d’une structure monolithique entièrement fabriquée à base de semi-conducteurs, ou en tant que contact intra-cavité situé entre la zone d’émission de la lumière et le miroir supérieur qui est alors fabriqué à partir de matériaux diélectriques.

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Développement de contacts adaptés au moyen Infra-rouge :
L’un des matériaux les plus utilisés pour réaliser des contacts transparents est l’ITO (Indium Tin Oxide), un alliage composé d’oxyde d’étain (Sn2O3) et d’oxyde d’indium (In2O3) avec différentes teneurs. Une étude sur ce type de matériaux a donc été initiée dans le groupe afin d’optimiser leur propriétés optiques et électriques pour une utilisation autour de 2,3 µm. Un procédé de fabrication a été mis au point.
Les couches d’ITO sont ainsi obtenues à température ambiante par évaporation e-beam puis recuites sous atmosphère contrôlée (air, azote, …) afin d’atteindre des qualités cristallines suffisantes pour obtenir une transparence maximale dans le moyen Infra-rouge. La température de recuit doit cependant être limitée à 300 °C pour ne pas dégrader les couches semi-conductrices (essentiellement les puits quantiques en InGaAsSb) constituant le VCSEL. Les performances optiques sont ensuite caractérisées par transmission et les performances électriques par des mesures de résistivité sous pointes. Les premiers résultats obtenus sont reportés ci-dessus. Ces mesures concernent une couche d’ITO (90%  In2O3, 10% Sn2O3) de 110 nm recuite sous air à 300°C pendant 30 mn. Les valeurs de résistivités obtenues avec ce type de contact sont bien adaptées à une insertion dans un VCSEL (~ 6.10-3 Ω.cm) par contre la transmission reste faible (~ 0,5 à 2,3 µm). Les dimensions et paramètres de fabrication de ce type de contact restent donc à optimiser pour une utilisation dans le moyen Infra-Rouge. Cependant, des résultats récents obtenus avec d’autres configurations de recuit (temps de recuit plus long) et d’épaisseur (épaisseur plus faible) sont encourageants.

Nouveaux lasers large bande « continuum » 
   
Cette étude est menée dans le cadre d’un projet ANR du programme PNANO labellisé en 2009 qui s’appelle CONTINUUM. Le consortium comprend le laboratoire 3-5 lab commun à Alcatel et Thalès, le laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) et l’Institut d’électronique du Sud (IES). Ce projet est coordonné par OPTEL.
    Le principe de fonctionnement de la structure dite continuum est explicitée sur la figure ci dessous. Dans un laser, on a un milieu amplificateur  qui amplifie les ondes optiques et des miroirs qui assurent la contre réaction optique du signal. Cette contre réaction s’effectue pour des fréquences bien particulières de l’onde optiques qu’on appelle les fréquences de résonances de la cavité ou les pics Fabry – Pérot dans le cas où les miroirs sont localisés à un endroit précis. Ces fréquences de résonances dépendent principalement de la longueur optique de la cavité.
    Dans le laser dit continuum, nous utilisons un miroir distribué le long de la cavité optique de telle manière que la réflexion se produit pour une longueur d’onde particulière à un endroit particulier de la cavité. Nous utilisons pour cela un réflecteur de Bragg dont le pas (et donc la longueur d’onde de Bragg) dépend de sa position dans le guide. En choisissant précisément la valeur de la variation du pas du miroir de Bragg, on peut trouver une condition avec les autres paramètres de la cavité (longueur, indice, domaine spectral…) telle que les fréquences de résonances ne sont pas des pics de fréquence mais un continuum de fréquence. Cette condition est assez simple à obtenir au premier ordre.

img2     Le miroir de Bragg peut être réalisé à partir d’une fibre photosensible que l’on a insolée à travers un masque de phase. Il peut aussi être fabriqué directement à proximité d’un guide optique. Un tel composant est donc susceptible d’entrer en oscillation non pas sur des fréquences précises comme dans tout laser mais sur un continuum de fréquence. Un tel fonctionnement n’a jamais été démontré mais la démonstration d’un tel concept ouvrirait des perspectives en terme de recherche fondamentale sur les lasers aussi bien qu’en terme d’application comme la réalisation de lasers accordables. D’autres applications sont envisagées comme la réalisation d’une source large bande. On peut en effet voir notre source lumineuse comme DEL qui émettrait comme un laser (ou un laser qui émettrait comme une DEL sur une large gamme spectrale avec une forte densité spectrale de puissance. De telles sources à faibles coût, faible consommation et faible encombrement pourrait trouver d’innombrables applications dans l’affichage, la spectroscopie, les capteurs etc…
    Une autre application possible et sur laquelle nous commencerons à travailler est l’utilisation d’une telle source pour la réalisation d’un amplificateur large bande et résonant. En effet dans une telle structure, n’importe quel signal lumineux en entrée pourra provoquer l’accrochage de la source continuum dans un processus d’injection locking Maitre Esclave. La bande d’accrochage avec une telle structure a toutes les chances d’être la plus large jamais enregistrée. L’avantage d’une telle structure est qu’elle peut fonctionner en amplificateur résonant avec les avantages suivants :

  1. Fort gain qui ne doit pas saturer comme d’un amplificateur traditionnel par l’émission spontanée amplifiée. Dans notre structure, l’émission spontanée est très faible – aussi faible que dans un laser et son niveau est bloqué par laser.
  2. Un faible facteur de bruit. Dans un amplificateur optique classique, le bruit provient essentiellement de l’émission spontanée. Comme expliqué précédemment, celle-ci sera faible dans notre structure et le facteur de bruit qui va en découler sera amélioré considérablement.
  3. Une puissance de saturation élevée qui devrait uniquement être liée à la compression du gain du laser esclave.
C’est cette application que l’on se propose d’étudier en premier lieu sachant que c’est certainement la plus prometteuse en terme d’application.