L’oscillateur paramétrique optique (OPO) est un instrument optique bien connu, qui d’un point de vue fonctionnel est une source cohérente accordable en longueur d’onde. Comme le laser, il est basé sur un amplificateur optique dans une cavité résonnante. Contrairement au laser, il s’appuie sur une amplification paramétrique au lieu de l’inversion de population. Ce projet vise à démontrer le premier OPO à pompage électrique. Un tel résultat constituera une percée scientifique majeure car, contrairement au laser, dont la version à diode hétérostructure a stimulé le champ de la photonique avec un fort impact économique et social, la recherche d’un OPO monolithique à injection électrique est encore ouverte un demi-siècle après la première démonstration de l’OPO.
Fig. 1 Principe et simulations 2D du coupleur directionnel asymétrique au cœur de ce projet.
Aujourd’hui les OPO, pompés par des lasers conventionnels, sont disponibles sous différents formats temporels, spectraux et de puissance. Une bonne partie de la technologie connexe est parvenue à maturité pour plusieurs applications industrielles, militaires, sanitaires et environnementales, et de nouveaux produits commerciaux sont lancés sur le marché à un rythme croissant. Toutefois, la plupart de ce marché est encore très liée à la recherche, principalement en raison de la portabilité limitée des OPO actuels. Cette limitation pourrait être surmontée par la source qui fait l’objet de ce projet et qui émettra en régime continu dans l’infrarouge entre 1,5 et 2,5 µm. La source SPAIN que nous sommes en train de développer est un OPO intégré de façon monolithique à une diode laser à puits quantiques, les deux structures étant liées par couplage vertical. Ce dessin découle des conclusions d’un projet ANR et une thèse co-financée par la DGA, qui visait le même objectif mais dans un seul guide d’ondes laser à boites quantiques. Or, la réalisation d’un dessin basé sur une cavité unique, à la fois laser et OPO, s’est heurtée à des tolérances de fabrication étroites et à l’insuffisance de degrés de liberté pour l’obtention de l’accord de phase. Le nouveau dessin, basé sur deux cavités distinctes et deux contrôles de température indépendants, permettra d’obtenir enfin le premier OPO injecté électriquement.
Fig. 2 Modes propres de la structure verticale diode+OPO à deux valeurs de z différentes, près du croisement entre les indices efficaces des modes TE0 (laser) et TE2 (OPO).
Dans le domaine technologique d’intérêt majeur de la photonique, la démonstration d’un tel OPO sera une percée majeure dans la fenêtre spectrale entre 2 et 3 µm, qui est largement utilisée pour des applications civiles telles que la détection de gaz, la sécurité et les applications médicales, ainsi que pour des applications militaires. La disponibilité de composants intégrés pour cette gamme spectrale reste extrêmement limitée, les appareils fonctionnant dans cette région étant limités aux sources autonomes et à bande étroite.
Fig. 3 Haut : propagation le long de z d’un champ optique lancé dans le guide supérieur. Bas : transmission de la puissance optique du guide supérieur vers le guide inférieur.
La disponibilité d’une telle source entraînera une véritable révolution dans ce domaine, en raison de sa compacité, sa large accordabilité, son efficacité énergétique et son faible coût, avec un impact potentiel sur les capteurs pour la surveillance militaire, environnementale ou médicale.
Dans cet axe de recherche nous collaborons avec III-V Lab.
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