Un consortium de chercheurs a fabriqué le premier microlaser bleu intégré dans un circuit photonique. Ce dispositif est un pas vers la démonstration de la viabilité d’une plateforme photonique de semiconducteurs III-nitrures sur silicium.
La nanophotonique sur plateforme silicium à base de semiconducteurs III-nitrures représente un nouveau champ de recherche excitant qui s’ouvre sur des applications potentielles dans une gamme spectrale allant de l’ultraviolet (UV) à l’infrarouge (IR). Ces applications pourraient toucher aux technologies innovantes d’affichage, d’éclairage, de communications, au traitement quantique de l’information ou encore aux applications bio-compatibles. Malgré des recherches intenses et l’obtention de briques de bases élémentaires, comme des microlasers individuels ou des circuits photoniques passifs, le couplage monolithique entre une source active dans le bleu et un circuit photonique manquait encore d’être démontré.
Au sein d’un consortium de chercheurs français, Farsane Tabataba-Vakili, doctorante au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS/Univ. Paris-Sud) et à l’Institut Nanosciences et Cryogénie – INAC (CEA/Univ. Grenoble Alpes), a obtenu le premier microlaser bleu intégré dans un circuit photonique. Ce travail a été récemment publié dans la revue ACS Photonics. Farsane a reçu le prix du meilleur poster étudiant pour la présentation de ce travail durant la 34th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2018) qui s’est tenue à Montpellier du 29 Juillet au 3 Août 2018.
Le dispositif monolithique consiste en un microdisque actif de 3-5 µm de diamètre couplé latéralement à un guide d'onde. Des réseaux de couplage aux extrémités du guide assurent l’extraction déportée de la lumière cohérente. L’interstice entre le microdisque et le guide d’onde est un paramètre clef qui doit être ajusté finement pour un couplage efficace de la lumière. Un des défis a été d’atteindre un espacement de moins de 100 nm grâce à la technologie sur les semiconducteurs nitrures développée dans l’équipe du C2N. Sous excitation optique de faible puissance, les chercheurs mesurent des facteurs de qualité chargés (facteurs Q) d’environ 2000 pour ces matériaux. Sous pompage optique impulsionnel, ils observent l’émission laser au-dessus d’un seuil de 15 mJ/cm2 par impulsion.
À des fins d'intégration, l’injection électrique dans ces résonateurs de faible empreinte est actuellement en développement. Soutenus par un projet de recherche international*, dont Farsane est une personnalité très active, les chercheurs envisagent maintenant l’utilisation de microlasers bleus / UV pour réaliser des sources de lumière blanche hautement efficaces. En effet, contrairement aux LEDs blanches, les micro-émetteurs ne voient pas leur efficacité chuter à forte intensité, un phénomène limitant bien connu des technologies LEDs sous le terme anglais de « droop ».
Ce travail représente ainsi un pas important pour montrer la viabilité d’une plateforme photonique de semiconducteurs III-nitrures sur silicium.
* ANR MilaGaN : collaboration entre le C2N (CNRS/UPSud), le CRHEA (CNRS/ Univ. Côte d’Azur), l’INAC (CEA/Univ. Grenoble Alpes), le L2C (CNRS/Univ. Montpellier), et la Hong Kong University (HKU). Projet financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR-17-CE08-0043-02).
Référence :
Blue Microlasers Integrated on a Photonic Platform on Silicon,
Farsane Tabataba-Vakili1,2, Laetitia Doyennette3, Christelle Brimont3, Thierry Guillet3, Stéphanie Rennesson4, Eric Frayssinet4, Benjamin Damilano4, Jean-Yves Duboz4, Fabrice Semond4, Iannis Roland1, Moustafa El Kurdi1, Xavier Checoury1, Sébastien Sauvage1, Bruno Gayral2 et Philippe Boucaud1,4
ACS Photonics (Juillet 2018)
DOI: 10.1021/acsphotonics.8b00542
1 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS / Université Paris-Sud- Université Paris-Saclay)
2 Institut Nanosciences et Cryogénie – INAC (CEA/Université Grenoble Alpes)
3 Laboratoire Charles Coulomb - L2C (CNRS/Université de Montpellier)
4 Centre de recherche sur l'hétéroepitaxie et ses applications - CRHEA (CNRS/Université Côte d’Azur)
Contact :
Farsane Tabataba-Vakili, Doctorante au C2N et à l’INAC
Figure : Circuit photonique laser pour microdisque de III-nitrure constitué d'un disque couplé à un guide d'onde de bus terminé par des réseaux de couplage. © 2018 American Chemical Society
