Un OPO dans le proche infrarouge intégré en guide d’ondes AlGaAs

L’oscillateur paramétrique optique est le frère jumeau du laser. Constitué comme celui-ci d’un amplificateur de lumière placé dans un résonateur optique, l’oscillateur paramétrique produit un faisceau semblable en tout point à celui d’un laser.

La seule différence provient du mécanisme d’amplification de lumière reposant non pas sur l’utilisation de transitions entre niveaux d’énergie d’un système quantique, mais sur la conversion de rayonnement par un milieu optique non linéaire. Grâce à cela, il est beaucoup plus facile de changer la longueur d’onde du rayonnement émis par ce dispositif et de réaliser des sources dans des gammes de longueur d’onde difficilement accessibles par les lasers. En revanche, on ne dispose pas encore d’oscillateurs paramétriques optiques (OPO) alimentés électriquement comme le sont les diodes laser. C’est un premier pas dans cette direction qu’ont réalisé les chercheurs du Laboratoire matériaux et phénomènes quantiques – MPQ (CNRS/Univ. Paris Diderot) en réalisant le premier OPO dans le proche infrarouge intégré dans un guide d’ondes fabriqué avec un semi-conducteur III-V. L’intérêt de cette réalisation est que le matériau utilisé dans ce dispositif se prête aussi à la réalisation d’un laser alimenté électriquement, ce qui pourra permettre de réaliser dans un même dispositif compact à la fois l’oscillateur paramétrique et le laser qui lui apporte son énergie. Ce travail est publié dans la revue Applied Physics Letters.

Les physiciens ont choisi de développer ce dispositif non-linéaire avec comme matériau une hétérostructure AlGaAs/AlAs partiellement oxydée. Cette technologie est aussi au cœur de la fabrication des VCSEL, des lasers miniatures commerciaux fabriqués en très grand nombre. De nombreux efforts sont actuellement menés pour améliorer les qualités optiques de ces composés lors de leur élaboration industrielle. La perspective est donc de bénéficier à terme de ces améliorations essentielles lorsqu’il s’agira de réaliser un produit commercial. Pour réaliser leur dispositif et mettre à profit les propriétés non-linéaires de l’AlGaAs, les chercheurs ont dû réduire toutes les sources de pertes optiques afin de diminuer à un niveau acceptable l’énergie nécessaire au fonctionnement du dispositif. Ils ont notamment réalisé des miroirs multicouches monolithiques, c’est-à-dire intégrés au matériau et non ajoutés à l’extérieur. En outre, les physiciens ont compris l’origine des pertes optiques internes dues principalement à des défauts volumiques induits dans les couches d’AlGaAs pendant l’oxydation. Au final, grâce à des pertes optiques distribuées relativement faibles et aux miroirs de Bragg dichroïques monolithiques réalisés au Laboratoire de photonique et de nanostructures – LPN (CNRS), l’utilisation d’un schéma d’accord de phase par biréfringence de forme a permis d’atteindre un seuil de 210 mW en régime continu avec une pompe TM00, autour de 1 µm et un signal, ainsi qu’un complémentaire TE00, autour de 2 µm. C’est-à-dire une puissance de pompe tout-à-fait raisonnable. Les scientifiques travaillent maintenant sur les prochaines étapes : optimiser la fabrication des miroirs et réduire les pertes optiques guidées grâce à des barrières de GaInP autour de chaque couche d’oxyde avec comme objectif que ces barrières s’opposent de façon efficace à la création de défauts dans l’AlGaAs pendant le processus d’oxydation.

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L’OPO en guide d’ondes AlGaAs peut être inséré dans une puce monolithique, avec des applications dans les domaines des communications optiques, de l’information quantique et de la détection de gaz polluants.

Near-infrared optical parametric oscillator in a III-V semiconductor waveguide
M. Savanier1, C. Ozanam1, L. Lanco2, X. Lafosse2, A. Andronico1, I. Favero1, S. Ducci1, et G. Leo1, Applied Physics Letters*, 103, 261105 (2013)

Contact chercheur

Giuseppe Leo, professeur Université Paris Diderot

Informations complémentaires

1 Laboratoire matériaux et phénomènes quantiques (MPQ)
2 Laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN)

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr