Nano-photonique et semi-conducteurs nitrures : Un microlaser pour l’ultra-violet profond

Les équipes de 4 laboratoires français ont réalisé le premier microlaser fonctionnant dans l’ultra-violet profond, une plage spectrale importante pour de nombreuses applications en photo-chimie et désinfection bactérienne, mais complexe à atteindre avec des matériaux semi-conducteurs. Ce microlaser est constitué d’un microdisque, où la lumière est confinée à la périphérie du disque et peut se propager pendant un temps très long, démultipliant le périmètre du microdisque. Dans le langage de la nanophotonique on parle de modes propres appelés modes de galerie, par référence à la propagation du son le long des parois du dôme d’une cathédrale. Ce microdisque contient une couche active, qui émet la lumière, originale, seule capable d’atteindre la plage spectrale de l’ultra-violet profond, à une longueur d’onde de 275nm. Il s’agit d’un empilement de puits quantiques GaN/AlN, d’épaisseur très fine, égale à environ trois couches d’atomes de gallium et d’azote. Cette couche active est mise en régime d’émission stimulée à température ambiante, sous pompage optique. Seules des couches actives beaucoup plus complexes avaient à ce jour permis d’atteindre une émission laser à ces longueurs d’ondes dans des lasers-rubans de dimension millimétrique, alors que les microdisques ne mesurent que 3 à 15 microns de diamètre.

Les matériaux semi-conducteurs nitrures (GaN, AlN) qui ont été utilisés sont les matériaux standards pour l’éclairage à base de diodes électroluminescentes (LEDs). Leurs spécificités ouvrent de nouvelles perspectives pour la nano-photonique, un domaine où la lumière est contrôlée par des structures de dimensions nanométriques (10-9 m). Ces matériaux présentent en effet une plage de transparence large, du moyen infra-rouge à l’ultra-violet, et également des réponses non-linéaires qui permettent de diviser par deux ou par trois la longueur d’onde de la lumière émise. En associant des émetteurs visibles ou ultra-violets dans des microcavités, il est possible d’atteindre de très courtes longueurs d’onde d’émission.
Les laboratoires français impliqués sont
–  le Laboratoire Charles Coulomb (L2C, CNRS-Université de Montpellier)
–  le Centre de Recherche sur l’Hétéro-Epitaxie et ses Applications (CRHEA, CNRS)
–  l’Institut d’Electronique Fondamentale (IEF, CNRS-Université Paris-Sud)
–  l’Institut Nanosciences et Cryogénie (INAC, CNRS-CEA-Université Grenoble Alpes)
Ils ont développé au cours des dernières années plusieurs facettes exploitant ces avantages de la nano-photonique GaN, dans le cadre des projets Sinphoni et Quanonic financés par l’ANR et du laboratoire d’excellence sur les matériaux nitrure Ganex. La maîtrise des procédés spécifique à GaN/AlN a permis de réaliser des micro-résonateurs de haut facteur de qualité, à base de cristaux photoniques membranaires et de microdisques, qui possèdent un fort potentiel d’applications en optique non-linéaire intégrée.

Références
Deep-UV nitride-on-silicon microdisk lasers,
J. Sellés, C. Brimont, G. Cassabois, P. Valvin, T. Guillet, I. Roland, Y. Zeng, X. Checoury, P. Boucaud, M. Mexis, F. Semond, B. Gayral, Scientific Reports 6, 21650 (18 février 2016)
DOI : 10.1038/srep21650

Contact chercheur
Thierry Guillet, Professeur à l’Université de Montpellier, Laboratoire Charles Coulomb