Cohérence spatiale spontanément mise en œuvre en vertical

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21629 (2022) Citer cet article

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Nous rapportons un réseau de points auto-induit à cohérence spatiale composé de quatorze unités de modes d'émission de surface à cavité verticale qui présentent des spectres spatialement uniformes. Une largeur de faisceau totale de 47,5 µm et une émission étroite de 0,5° sont obtenues à l'aide d'une cavité oblongue entourée d'un miroir supérieur plat, d'un miroir inférieur incurvé cylindriquement et d'une facette latérale. Notamment, terminer le côté de la cavité avec une facette perpendiculaire améliore la propagation horizontale, qui se couple à la résonance verticale dans chaque point, comme dans le cas des lasers maîtres dans les lasers verrouillés par injection qui délocalisent les modes. Les lasers à semi-conducteurs conventionnels, les lasers à émission de bord et les lasers à émission de surface à cavité verticale ont une cavité Fabry-Pérot ; de plus, l'émission et la résonance se font dans des directions identiques, limitant la largeur du faisceau à quelques micromètres. Bien que la structure actuelle ait le même schéma de propagation, la facette à angle droit synchronise les modes et élargit considérablement la largeur du faisceau.

L'origine des lasers remonte à la prédiction d'Einstein sur l'émission stimulée1, selon laquelle l'inversion de population permet l'utilisation du laser. La plupart des chercheurs en laser à semi-conducteurs pensent que la recherche sur le laser permettra de trouver de meilleurs moyens de confiner les porteurs et la lumière dans une petite zone. En conséquence, les lasers à semi-conducteurs largement utilisés, tels que les lasers à émission de bord (EEL)2,3 et les lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL), ont un confinement élevé de la lumière et de petites tailles de faisceau (environ inférieures à dix microns). Par conséquent, ces lasers ont une consommation d’énergie négligeable et sont intégrés à des appareils électroniques industriels ou grand public tels que des lecteurs de disque optique, des souris d’ordinateur, des imprimantes laser, des projecteurs, etc.4. Cependant, ce confinement élevé conduit à des angles d'émission larges dus à la diffraction5. Dans ce contexte, ces lasers nécessitent des composants optiques supplémentaires pour rétrécir le faisceau d'émission pour de nombreuses applications industrielles, augmentant ainsi la taille et le coût de fabrication de l'ensemble du système. Ainsi, trouver de nouvelles structures de cavité permettant des émissions étroites avec une faible consommation d’énergie présente un grand intérêt.

Les lasers à émission de surface à cristaux photoniques (PCSEL)6 sont l'un des candidats répondant aux exigences susmentionnées. La lumière dans les PCSEL se propage dans la direction du plan pour atteindre une résonance modulée par un réseau 2D périodique de trous d'air de tailles inférieures à la longueur d'onde. Les trous périodiques dirigent les photons se déplaçant dans le plan dans la direction verticale. Cet appareil permet des faisceaux d'une largeur inférieure au millimètre avec un angle d'émission très étroit de 0,1° et des puissances de classe super-Watt7. Une alternative est celle des réseaux laser verrouillés par injection, dans lesquels un seul laser (le laser « maître ») induit une cohérence parmi un ensemble de lasers (les lasers « esclaves »)8,9. Cela synchronise la phase des réseaux VCSEL pour émettre des faisceaux relativement étroits10. Ces réseaux ont montré des résultats extraordinaires en modifiant radicalement la largeur des faisceaux par rapport à celle obtenue avec les lasers conventionnels à émetteur unique. Cependant, de tels réseaux posent plusieurs défis industriels. Par exemple, la fabrication en masse de PCSEL est difficile en raison de leurs structures sub-longueur d’onde. La grande surface correspondant à l'injection de courant complique la gestion de la chaleur. De plus, les lasers verrouillés par injection rencontrent une complexité accrue avec l'existence de deux lasers non monolithiques.

Un réseau cohérent de lasers auto-couplés constitue une autre solution potentielle au problème susmentionné11. Cette approche crée une cohérence entre les lasers en les construisant proches les uns des autres. De tels réseaux ont fait l'objet de recherches intensives avec des VCSEL en utilisant un couplage optique basé sur des champs évanescents et de la lumière diffractée émise par chaque unité laser. Ils peuvent fonctionner sans structures sub-longueur d’onde ni plusieurs lasers non monolithiques. La disposition des émetteurs dans une configuration en anneau élargit la taille du faisceau12, réduit la génération de chaleur en vidant la partie interne entourée de ces émetteurs et réduit les émissions. Un inconvénient restant d’un réseau cohérent auto-induit est la complexité d’établir le couplage. Par exemple, l'intervalle entre les VCSEL doit être soigneusement conçu pour un couplage efficace en prédisant la distribution spatiale des champs évanescents. De plus, il est difficile de définir un niveau de courant auquel les émetteurs se comportent suffisamment uniformément pour atteindre la cohérence. Ainsi, contrôler les VCSEL individuels est un défi. Parfois, plusieurs câblages doivent être fournis aux émetteurs de lumière individuels. Cependant, l’augmentation du nombre d’émetteurs peut détériorer de façon exponentielle leur contrôle. Ainsi, le nombre maximum de VCSEL dans un réseau est limité13, avec une largeur d'environ 10 µm12.