Diodes laser multiplexées en longeur d'onde pour la spectroscopie moyen infrarouge – MIDAS

Ce projet vise à démontrer des systèmes de détection de gaz de très hautes performances basés sur l’utilisation de diodes laser à cristaux photoniques. Il s’inscrit dans une collaboration entre le LAAS-CNRS à Toulouse et l’IES à Montpellier, faisant suite à un premier projet commun réalisé dans le cadre d’une ANR blanche. Dans ce nouveau projet, nous proposons de réaliser des systèmes de détection de gaz à l’état de l’art, capables de réaliser une discrimination entre plusieurs raies d’absorption, utilisant des designs robustes intégrables dans des systèmes embarqués. Ce projet s’inscrit donc dans l’axe « fonctions à base de cristaux photoniques, …, pour l'infrarouge » de l’axe thématique 3 de l’appel à projet P2N.
En résumé, nous proposons d’implémenter pour la première fois des diodes laser tout cristal photonique dans le système GaSb pour réaliser des matrices de lasers optimisées pour la détection de gaz. L’utilisation de plusieurs lasers présentant chacun une émission monomode permettra de combiner des techniques d’accord continu en longueur d’onde par injection de courant avec un multiplexage numérique obtenu en passant de laser en laser. Cette approche permettra une flexibilité sans précédent dans la mise en œuvre des techniques de spectroscopie par diodes laser pour la détection de gaz dans le moyen infrarouge.

Le cœur du projet vise à développer un nouveau type de matrice de diodes laser adaptées à la spectroscopie dans le moyen infrarouge. Ces matrices de lasers ne peuvent être réalisées efficacement qu’en utilisant des diodes laser DFB du second ordre tout cristal photonique, issues des récentes avancées dans le domaine de la nano-photonique. Cette nouvelle approche permettra de dépasser les principales limites actuelles des techniques de spectroscopie par diode laser, liées aux longueurs d’ondes accessibles, à leur contrôle et à la précision du contrôle en température nécessaire au bon étalonnage des capteurs.
La réussite de ce projet demande de lever un certain nombre de verrous qui sont :
- La démonstration sur GaSb de laser DFB monomodes tout cristal photonique. Lever ce verrou nécessite de transférer des concepts actuellement démontrés sur des membranes de GaAs émettant à 980 nm sous pompage optique aux longueurs d’onde et géométries adaptées à nos objectifs (grande longueur d’onde et pompage électrique). Nous devrons aussi optimiser les techniques de gravure mises au point dans le cadre de notre projet précédent pour atteindre une qualité comparable à celle obtenue au LAAS sur GaAs.
- La croissance de structures émettant à 3.3 µm est elle aussi un défi. A l’heure actuelle, seuls deux laboratoires au monde détiennent cette compétence : l’université de New-York et l’IES Montpellier. Cette croissance devra être fiabilisée et adaptée au contraintes impliquées par la gravure des cristaux photoniques. En particulier, la structure verticale de confinement optique devra être revisitée et soigneusement optimisée.
- Un dernier défi réside dans l’utilisation de ces sources dans des systèmes de détection de gaz. De très bons résultats dans ce domaine ont été obtenus à la fin de notre projet précédent CRISPI. Ce nouveau projet doit permettre de mettre au point des systèmes démontrant une meilleure flexibilité, une plus grande gamme d’accord en longueur d’onde, qui permettront d’améliorer les performances en termes de sensibilité de mesure et de discrimination des gaz.