Par Marcus Duelk, Mathieu Faucher et Marco Rossetti
L'évolution rapide de la photonique redéfinit les possibilités en matière de détection de précision, de technologies quantiques et d'imagerie de pointe. Au cœur de bon nombre de ces avancées se trouve un élément fondamental : le laser à fréquence unique. Alors que les industries exigent une plus grande pureté spectrale, une meilleure stabilité et une intégration accrue, les technologies des lasers à semi-conducteurs sont poussées plus loin que jamais.
indie récemment présenté deux avancées majeures qui illustrent comment les plateformes compactes à semi-conducteurs peuvent atteindre de nouveaux niveaux de performance dans les domaines du visible et de l'infrarouge. La première concerne les lasers DFB à base de GaN qui étendent le fonctionnement à haute cohérence et à fréquence unique sur la gamme de 399 à 521 nm, offrant une stabilité, une évolutivité de puissance et une pureté spectrale sans précédent dans le spectre visible. La seconde met en avant une nouvelle approche de la détection optique cohérente, tirant parti d'un laser DFB InP à largeur de raie ultra-étroite co-emballé avec de la photonique sur silicium pour fournir un émetteur-récepteur cohérent compact et économique, adapté aux applications de détection distribuée.
Repousser les limites des lasers monofréquence visibles
Les lasers à fréquence unique constituent des outils indispensables dans le domaine de la photonique moderne. Leur lumière, d'une stabilité et d'une pureté spectrale exceptionnelles, permet des applications allant de la spectroscopie de précision et des technologies quantiques à la détection, à la métrologie et aux écrans de pointe.
Les progrès récents réalisés dans le domaine des diodes laser à rétroaction distribuée (DFB) à base de GaN ouvrent de nouvelles perspectives dans l'ensemble du spectre visible.
Nos derniers travaux présentent des lasers à semi-conducteurs compacts fonctionnant dans la gamme de 399 nm à 521 nm, basés sur des semi-conducteurs composites à base de GaN et dotés de réseaux de diffraction intégrés réalisés par lithographie par faisceau d'électrons. Ces lasers offrent :
- Véritable émission à fréquence unique avec un fonctionnement stable, sans saut de fréquence, dans le temps et à différentes températures
- Une largeur de raie intrinsèque inférieure au MHz et une réduction de dix fois du bruit d'intensité relative par rapport aux diodes laser Fabry-Pérot standard
- Un contrôle précis de la longueur d'onde par la température et le courant, permettant un réglage précis sur des transitions atomiques ou ioniques spécifiques
- Excellente fiabilité à long terme, comparable à celle des diodes laser standard, avec plusieurs dizaines de milliers d'heures de fonctionnement
Certaines applications, telles que la spectroscopie Raman ou l'informatique quantique, nécessitent une puissance optique supérieure à celle qu'un simple laser DFB peut fournir, tout en conservant un fonctionnement à fréquence unique. Pour y remédier, nous avons mis au point une architecture DFB-MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). En combinant un laser DFB à fréquence unique avec une section d'amplification intégrée sur la même puce, nous avons obtenu :
- >Puissance de sortie de 200 mW à fréquence unique en mode continu
- Jusqu'à 400 mW en mode pulsé
- Une amélioration de la puissance de plus de quatre fois supérieure à celle des dispositifs DFB classiques
Au-delà de ces résultats, nous continuons à développer notre plateforme de lasers GaN indépendante de la longueur d'onde, en élargissant la gamme accessible vers des longueurs d'onde plus courtes dans l'ultraviolet proche et vers des longueurs d'onde plus longues dans le vert profond.
Ces avancées mettent en évidence le potentiel de la photonique au GaN en tant que plateforme évolutive pour des lasers visibles compacts, de forte puissance et à spectre pur, destinés à équiper les systèmes de nouvelle génération dans les domaines de la spectroscopie, de la détection, des technologies quantiques et de l'imagerie de pointe.
Moteurs laser indie
Pour consulter l'intégralité des présentations : diodes laser GaN à seuil bas avec sections de gain ultra-courtes et guides d'ondes passifs, et lasers GaN-DFB couvrant le spectre de 400 à 520 nm
Des solutions LiDAR automobiles à modulation en largeur d'impulsion (FMCW) aux solutions de détection optique cohérente
La détection optique cohérente offre des capacités de détection très sensibles et performantes. Cependant, la complexité et le coût des systèmes de détection cohérente ont traditionnellement limité leur adoption dans un éventail plus large d'applications de détection. L'équipe indie a souhaité démontrer que ces défis pouvaient être surmontés en utilisant un laser à rétroaction distribuée (DFB) à largeur de raie étroite et bien conçu, intégré à une puce de réception IQ en photonique sur silicium et, si nécessaire, à un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA). L'émetteur-récepteur cohérent ainsi obtenu est extrêmement compact par rapport aux solutions existantes basées sur la fibre optique, et pourrait constituer le chaînon manquant permettant un déploiement à grande échelle dans des scénarios de détection concrets. Ce type d'émetteur-récepteur cohérent intégré (initialement développé pour le LiDAR FMCW automobile) a été adapté et validé dans deux configurations de détection distribuée par fibre optique : l'OFDR (réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel) et le C-OTDR (réflectométrie optique cohérente dans le domaine temporel).
indie a mis au point un laser DFB unique sur phosphure d'indium (InP) présentant un bruit de fréquence inférieur à celui des lasers à fibre classiques. Pour obtenir une largeur de raie aussi étroite que 10 Hz avec une cavité laser de quelques millimètres, cette puce DFB spéciale doit être intégrée (afin d'obtenir un retard optique ultra-court) à un discriminateur de fréquence et utilisée avec une boucle de rétroaction électronique analogique adaptée permettant de réduire son bruit de fréquence intrinsèque. Pour être efficace sur une large gamme de fréquences, la boucle de rétroaction électronique nécessite un laser DFB conçu pour présenter une réponse de modulation de fréquence plate sur plusieurs centaines de MHz, une caractéristique qui n'est pas disponible dans une puce laser DFB à semi-conducteur classique.
Pourquoi c'est important
Les applications visées sont nombreuses : surveillance des infrastructures (pipelines, câbles, ponts), sécurité périmétrique, surveillance sismique, détection de fuites, et bien d’autres encore. Ces marchés attendent depuis longtemps des solutions de détection cohérente plus accessibles. L’émetteur-récepteur indie constitue une avancée concrète vers des systèmes de détection distribués plus compacts, moins coûteux, plus fiables et plus faciles à déployer.
Pour consulter la présentation dans son intégralité : Émetteur-récepteur de détection cohérente basé sur un laser à semi-conducteur à largeur de raie étroite et un récepteur IQ à photonique sur silicium
Conclusion
Les résultats présentés mettent en évidence la capacité indie à repousser les limites de la technologie des lasers à semi-conducteurs. Grâce à des lasers DFB au GaN ultra-stables et à haute puissance couvrant tout le spectre visible, ainsi qu'à un émetteur-récepteur cohérent compact basé sur un laser InP à largeur de raie ultra-étroite, ces innovations rendent les performances photoniques de pointe plus accessibles que jamais.
Ces travaux ont été présentés lors du salon SPIE Photonics West 2026.