Contrôler l'émission de micro-lasers avec des métasurfaces

Publié par Adrien le 11/03/2020 à 09:00
Source: CNRS INP
Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode de contrôle de la qualité des faisceaux des microlasers appelés VCSELs. Ils ont intégré à leur fabrication une métasurface, c'est-à-dire une surface nano-structurée qui permet de mettre en forme à façon le front lumineux. Cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) s'étend à des matrices de VCSELs et pourrait profiter notamment aux dispositifs ultra-compacts d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit...), par exemple les systèmes LiDARs.

Présents dans les objets du quotidien tels que les souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant tout l’espèce commune Mus musculus, connue aussi comme animal de compagnie ou de...) d'ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques...) ou les téléphones portables et dans les technologies de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications,...) par fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions...), les lasers dits VCSELs (lasers à émission de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec...) à cavité verticale) sont des dispositifs micrométriques où un empilement vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) de couches semi-conductrices d'épaisseur nanométrique, sur lesquelles la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) se réfléchit, confine et amplifie la lumière sein d'une microcavité. Le faisceau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) est émis sous forme de cône par la face arrière de l'empilement (figure). Les VCSELs ont l'avantage de consommer peu d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et de former des dispositifs compacts en s'intégrant facilement, par exemple sous forme de matrices bidimensionnelles sur des puces.

Le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) des propriétés optiques du faisceau laser issu d'un VCSEL, notamment sa divergence, est un enjeu important pour les applications et on est amené à modifier profondément la structure réfléchissante ou à introduire des composants supplémentaires tels que des microlentilles. Cette approche est efficace pour améliorer la qualité du faisceau mais elle est très intrusive, elle nécessite un alignement particulier pour chaque dispositif et risque d'affecter les autres performances du laser, en particulier la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) et la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) émise.


À gauche: en gris, image de microscopie électronique d'une métasurface montrant des nano-piliers d'une hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de 500 nm disposés de façon circulaire. La distance entre deux piliers est de 260 nm. En couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).), schéma d'un VCSEL: l'empilement des couches réflectrices (DBR: Distributed Bragg Reflectors) se fait à partir du substrat de GaAs qui constitue la face arrière par laquelle la lumière est émise et sur laquelle est gravée la métasurface. Dans un nano-pilier, la lumière est confinée, ce qui entraîne une augmentation de l'indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été...) effectif et un déphasage introduit par le nano-pilier directement lié à son rayon.

À droite: effet de l'intégration d'une métasurface sur un VCSEL: l'émission sans métasurface présente une ouverture angulaire typique de 30°. Avec une métasurface dont le rayon des nano-piliers est calculé pour créer des déphasages analogues à ceux d'une lentille de 630 µm, le faisceau est collimaté. La métasurface couvre toute l'étendue du faisceau lumineux (240 µm) pour limiter les effets de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène...). En haut: représentation schématique du VCSEL et de l'effet de collimation, en bas: mesures de l'intensité laser se propageant en sortie du VCSEL jusqu'à 1.6 cm. La section des faisceaux en champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) lointain est représentée à droite pour une distance de 10 cm.

Des physiciens du Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) sur l'hétéroépitaxie et ses applications (CRHEA, CNRS), en collaboration avec le laboratoire III-V à Palaiseau (III-V Lab), l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) des Technologies de Beijing, et l'Université Ludwig Maximilian à Munich, ont conçu une nouvelle méthode de contrôle de la qualité du faisceau lumineux d'un VCSEL en proposant l'intégration monolithique (Un monolithe est un élément fait d'un seul bloc de pierre de grande dimension. Son nom vient du grec ancien λιθος...) sur sa face arrière d'une métasurface (figure). Cette structure nanométrique ultrafine permet en effet de sculpter à façon le front lumineux à des échelles en dessous de la longueur d'onde en introduisant les déphasages adéquats. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Nanotechnology.

Les chercheurs exploitent ainsi les extraordinaires capacités des métasurfaces pour façonner à volonté le profil d'un faisceau laser émis par un VCSEL sans en modifier la cavité et en conservant toutes ses performances. Au-delà d'un VCSEL unique, les chercheurs ont étendu cette méthode à des matrices de VCSELS. La compatibilité des métasurfaces avec les processus de fabrication CMOS rend prometteuse leur intégration dans les dispositifs optoélectroniques ultra-compacts, ce qui pourrait profiter à un vaste domaine d'applications, notamment l'imagerie LIDAR (La télédétection par laser ou LIDAR, acronyme de l'expression en langue anglaise « Light Detection and Ranging »,...) et la formation ou la reconnaissance d'images.

Références

Metasurface intergrated vertical cavity surface emitting lasers for programmable directional lasing emmissions.
Yi-Yang Xie, Pei-Nan Ni, Qiu-Hua Wang, Qiang Kan, Gauthier Briere, Pei-Pei Chen, ZhuangZhuang Zhao, Alexandre Delga, Hao-Ran Ren, Hong-Da Chen, Chen Xu et Patrice Genevet, Nature Nanotechnology, le 13 janvier 2020.
DOI:10.1038/s41565-019-0611-y.
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