Les diodes laser sont un élément clef pour une grande variété de systèmes photoniques concernant un champ d’applications très vaste : télécommunications optiques, stockage et traitement de l’information, instrumentation, environnement…Malgré une amélioration constante de leurs performances, leur intégration dans le système optique reste le principal obstacle à leur développement.

Diodes laser GaInAsN/GaAs à émission à 1.3µm pour les télécommunications optiques

L'étude des diodes laser à base de puits en alliages nitrurés s'inscrit dans le cadre des projets « SINTROPS » et «AHTOS » du RNRT (OPTO+, LPN, LNMO/INSAT) qui visent à concevoir et réaliser des diodes laser sur substrat GaAs à faible coût, pour les transmissions à haut débit  à 1,3µm.

La fin du projet SINTROPS a permis de démontrer les potentialités des lasers GaInAsN/GaAs, en particulier une stabilité en température supérieure à celle des lasers de la filière conventionnelle GaInAsP/InP. La poursuite de l’étude avec les mêmes partenaires dans le cadre du projet AHTOS a  pour but d’évaluer l’avenir industriel de la filière GaInAsN/GaAs par la réalisation d’un module permettant de réaliser des transmissions à 10Gb/s, sans régulation thermique, et à faible dérive spectrale, en particulier pour le multiplexage spectral de faible densité (C-DWDM).

Nos travaux portent d’une part le développement d’outils de conception et d’optimisation de la structure en exploitant les propriétés de transparence, gain différentiel et confinement optique de ces matériaux. Différentes structures actives ont été analysées et comparées, selon différents choix de conception : structure à fort taux de contrainte ou à forte concentration d’azote, confinement avec ou sans aluminium, barrières avec ou sans azote, … Des critères de conception de structures à multipuits quantiques à contraintes compensées ont été établis afin de répondre aux objectifs de modulation à haute fréquence.

L’étude de conception s’appuie d’autre part sur le développement d’une méthode de caractérisation des propriétés intrinsèques de cette filière nitrures, en particulier le gain et l’origine des recombinaisons non radiatives. Les travaux en cours portent enfin sur la conception et la mise au point d’un procédé de fabrication d’une diode à ruban incorporant un diaphragme d’oxyde d’aluminium par une technique d'oxydation latérale, tirant ainsi pleinement profit des avantages des alliages GaAlAs pour un meilleur contrôle du confinement électrique et optique.



Spectre de gain optique d'une diode laser GaInAsN/GaAs




Diode laser à diaphragme d'oxyde


Sources laser à base de structures à gap photonique

Les propriétés remarquables des cristaux photoniques, notamment celles de confinement et de sélectivité spectrale, ouvrent la voie à de nouveaux types de composants photoniques à l’échelle de la longueur d’onde. Une seule nanostructuration 2D à travers l’empilement de couches des diodes laser est une voie prometteuse pour obtenir une nanosource laser compatible avec un pompage électrique et une intégration photonique planaire. Par l’aspect générique du concept, cette approche pourrait apporter une voie de fabrication planaire collective extrêmement intéressante pour faire émerger de nouvelles fonctionalités intégrées photoniques.
Nos travaux ont pour objectif d'étudier l’apport des cristaux photoniques sur la miniaturisation et les performances des diodes laser, établir la faisabilité d’un pompage électrique pour ces nanosources laser et explorer les perspectives d’une intégration planaire incluant la source dans un circuit photonique.
Ils s'appuient sur
- la conception et  la réalisation de diodes laser AlGaAs/GaAs incorporant un miroir à cristal photonique 1D ou 2D. Ces miroirs permettent l'obtention de haute réflectivité de l’ordre de 90% et ouvrent la voie à la conception de nouveaux types de microcavités « horizontales » à faible courant de seuil, faible largeur de raie, grande bande passante, ...


Source à base de cristal photonique unidimensionnel
(en insert détail du miroir à cristal photonique)


Cavité à cristal photonique 2D


- l’étude de faisabilité de nanosources laser InGaAsP/InP définies entièrement par des cristaux photoniques et à pompage électrique. Nous développons cet axe dans le cadre du projet RNRT CRISTEL (OPTO+, Orsay Physics, IEF, GES, LPN, LAAS) qui vise à réaliser une source laser sélectionnable en longueur d’onde « tout cristal photonique », composée d'une barrette de huit lasers monomodes émettant à des longueurs d'onde ITU espacées de 50GHz, d'un multiplexeur en longueur d'onde, d'un adaptateur entre ces deux éléments, et d'un adaptateur en sortie pour un couplage avec une fibre optique.


Microsystèmes, fonctions photoniques intégrées sur silicium

En l’absence de concept et de technologie générique, l’introduction de composants optiques dans les microsystèmes s’effectue principalement par hybridation sur une plateforme en silicium.
Dans ce cadre, nos travaux ont pour but d’exploiter les potentialités d’une technologie conventionnelle de type CMOS pour étudier différentes approches d’intégration générique :
    - fonctions optiques « intelligentes » en associant sur une même puce des fonctions optiques et électroniques,
    - fonctions optiques innovantes telles que l'association de structures diffractives et de détection pour réaliser de nouvelles fonctionalités pour des systèmes interférométriques compacts ou à contrôle de phase
    - nouvelles générations de composants optiques utilisant la nanophotonique sur silicium: sources à base de nanocristaux de silicium, fonctions optiques avancées exploitant les propriétés des structures à gap de photons.



Optoasic associant les fonctions de détection et de traitement du signal

    

Détecteur de phase