Lasers à cavités verticales accordables hybrides , contrôlées en polarisation et entièrement monolithiques pour la conception systèmes optiques et micro-ondes embarqués et compacts. – HYPOCAMP

Le projet HYPOCAMP vise à développer un nouveau type de sources laser accordables, compactes, robustes, de grande stabilité spectrale, à faible consommation et à bas coût de fabrication, adaptées aux applications embarquées et mobiles. Le principe de fonctionnement du composant repose sur l’intégration d’un élément électro-optique à cristal liquide (CL) nématique, présentant une forte variation d’indice, au sein d’une cavité laser de type V(E)CSEL (Vertical (External) Cavity Surface Emitting Laser). Cette technologie d’intégration du CL au sein de la cavité permet ainsi de concevoir un composant complètement monolithique, accordable sur de large plage en longueur d’onde, tout en bénéficiant de l’absence d’élément mobile. Ce dernier point accroît significativement la fiabilité et la robustesse du dispositif, facilite le packaging, et améliore la stabilité spectrale de l’émission laser (moindre sensibilité aux bruits mécaniques). Ces avantages rendent donc le concept CL-V(E)CSEL proposé dans HYPOCAMP très attrayant par rapport aux technologies concurrentes de type MEMS-VCSEL. Ces dernières présentent des limitations liées à la complexité de fabrication et la fragilité, ainsi qu’à l’instabilité spectrale induite par l’élément mobile.
L’objectif du projet HYPOCAMP est donc de développer et de démontrer l’efficacité de ce concept V(E)CSELà base CL, en intégrant ce matériau électro-optique au sein des cavités émettant à 1.55 µm. Deux dispositifs distincts exploitant les propriétés du CL seront développés. Le premier consiste à intégrer le CL au sein d’une microcavité VCSEL pompé électriquement, afin de développer une source compacte, largement accordable sur plus de 50 nm et sans sauts de modes, présentant des vitesses de balayages au-delà du kHz, et des largeurs de raie < 1 MHz. Les performances et les potentialités de ce dispositif seront évaluées en vue de deux domaines d’applications distincts : les applications civiles en les intégrant dans un système optique exploitant le multiplexage en longueur d’onde (WDM) pour les communications optiques, et également dans un système optique de diagnostic des déformations d’infrastructures pour le génie civil ; mais aussi pour des applications liées à la défense via la réalisation par voie tout optique d’un filtre accordable de signaux radars dans le domaine des hyperfréquences. Le second dispositif est un laser ultra-stable et accordable pour les applications en spectroscopie de haute précision. Ce dernier consiste à intégrer le CL au sein d’une cavité VECSEL étendue (? cm), permettant de concevoir un émetteur laser à très bas niveau de bruit, de très faible largeur de raie (< 10 kHz), et accordable sur une fine plage de longueur d’onde. Dans la mesure où l’intégration d’un CL nématique fortement biréfringent au sein de la cavité nécessite de maintenir une émission laser stable polarisée rectilignement, le projet s’appuiera sur une approche originale et avérée par l’insertion de nanostructures à fils quantiques, afin de bénéficier de V(E)CSELs à polarisation contrôlée.
Ainsi, au cours de ce projet, une partie importante visera à développer un savoir-faire unique mêlant la technologie CL et la technologie des semiconducteurs, permettant l’intégration de nouvelles fonctionnalités au sein de micro-dispositifs. Au-delà, des démonstrations proposées dans ce projet à la seule longueur d’onde de 1.55 µm, et compte tenu de la très bonne transparence des cristaux liquides dans la gamme spectrale ~ [0.5 - 2.5] µm, les potentiels applicatifs du concept développé dans ce projet sont larges. Il peut être adapté à de nombreuses filières de matériaux (InP, GaAs, GaSb, GaN …), et ainsi impacter de nombreux domaines applicatifs, comme les applications grand public (0.4-0.8 µm), l’imagerie médicale (0.8-1.3 µm), les besoins industriels pour la détection de gaz (1.4-2.5 µm), les applications en opto-hyperfréquence (1.55 µm), …