septembre 2016 – aout 2020
Projet ANR-16-CE24-0011 (ANR)
L’objectif principal du projet MIMIC-SEL est la réalisation du premier Laser à Cavité Verticale émettant par la surface (VCSEL) à pompage électrique émettant au delà de 3 µm en régime d’alimentation continue et au dessus de 300K.
Contexte
La disponibilité de VCSELs pompés électriquement à une longue d’onde supérieure à 3 µm opérant en régime d’alimentation continu au delà de la température ambiante est considéré comme une technologie de rupture pour les applications de détection optique à base de laser semi-conducteur. En effet, la géométrie de ces composants offrent des propriétés uniques tel qu’une émission mono-fréquence avec une large accordabilité sans saut de mode, une faible consommation électrique et un coût réduit. Ces dispositifs sont donc des sources idéales pour développer des réseaux de détecteur photonique, ce qui aidera au contrôle de la pollution de notre environnement, à détecter des fuites de produits dangereux et prévenir des risques d’incendies permis les exemples possible d’applications.
La réalisation de VCSELs pompés électriquement émettant dans le moyen infrarouge nécessite d’utiliser des matériaux à base d’antimoniures. Cependant, réaliser de tel composant dans la gamme spectrale 3-5 µm nécessite de nouvelles approches pour à la fois la zone active et les procédé technologiques. Ainsi, la structure sera composée d’une zone active avec des puits quantiques interbandes de type-II mis en cascade, une couche métamorphique à base d’arséniure oxydé pour constituer le confinement électro-optique et d’un miroir de Bragg diélectrique pour le la partie supérieure du VCSEL. Cette technologie permettra de réaliser des VCSELs avec des performances compatibles pour la detection de molécules par spectroscopie optique.
Le point de départ de ce projet est la complémentarité des compétences entre les différents partenaires de MIMIC-SEL. en effet, l’IES est reconnu sur la croissance par épitaxie par jets moléculaires et l’étude des VCSELs à base d’antimoniure, le LAAS a une expertise sur la technologie des VCSELs à base d’arséniures et plus précisément sur le contrôle du confinement latéral avec un oxyde d’aluminium. Enfin, FOTON est reconnu pour leur développement sur les matériaux diélectriques dédiés aux miroirs de Bragg.
Objectifs
Ce projet est organisé en 4 tâches, une pour le management et 3 pour les développements techniques. La première partie (tâches 2 et 3) du projet MIMIC-SEL permettra de développer les éléments qui constituent la structure VCSEL comme la zone active et les miroirs de Bragg pour un fonctionnement efficace au delà de 3µm. Cette partie permettra de déterminer les paramètres clés comme le gain, le pouvoir réflecteur, les pertes optiques, les propriétés thermiques pour concevoir le VCSEL. La dernière partie (tâche 4) est relié à la réalisation, la caractérisation et à son application à la détection de gaz.
Production scientifique
Journal articles
- Eric Tournié, Laura Monge Bartolome, Marta Rio Calvo, Zeineb Loghmari, Daniel Díaz-Thomas, et al.. Mid-infrared III–V semiconductor lasers epitaxially grown on Si substrates. Light: Science and Applications, 2022, 11, ⟨10.1038/s41377-022-00850-4⟩. ⟨hal-03684843⟩
- Stéphane Calvez, Oleksandr Stepanenko, Kevin Louarn, Emmanuelle Daran, Alexandre Arnoult, et al.. Selective wet oxidation of AlAsSb alloys on GaAs. AIP Advances, 2021, 11 (12), pp.125010. ⟨10.1063/5.0073200⟩. ⟨hal-03469949⟩
- Laurent Cerutti, Daniel A Díaz Thomas, Jean-Baptiste Rodriguez, Marta Rio Calvo, Gilles Patriarche, et al.. Quantum well interband semiconductor lasers highly tolerant to dislocations. Optica, 2021, 8 (11), pp.1397-1402. ⟨10.1364/optica.438272⟩. ⟨hal-03417026⟩
- Daniel Díaz-Thomas, Oleksandr Stepanenko, Michaël Bahriz, Stéphane Calvez, Thomas Batte, et al.. 3.3 µm interband-cascade resonant-cavity light-emitting diode with narrow spectral emission linewidth. Semiconductor Science and Technology, 2020, 35 (12), pp.125029. ⟨10.1088/1361-6641/abbebc⟩. ⟨hal-02959663⟩
- D. A Díaz-Thomas, Oleksandr Stepanenko, Michaël Bahriz, Stéphane Calvez, E. Tournié, et al.. Interband cascade Lasers with AlGaAsSb cladding layers emitting at 3.3 µm. Optics Express, 2019, 27 (22), pp.31425. ⟨10.1364/OE.27.031425⟩. ⟨hal-02345145⟩
- Stéphane Calvez, Alexandre Arnoult, Antoine Monmayrant, Henri Camon, Guilhem Almuneau. Anisotropic lateral oxidation of Al-III-V semiconductors: inverse problem and circular aperture fabrication. Semiconductor Science and Technology, 2019, 34 (1), pp.015014. ⟨10.1088/1361-6641/aaf2f1⟩. ⟨hal-01933226⟩
- Stéphane Calvez, Gael Lafleur, Alexandre Arnoult, Antoine Monmayrant, Henri Camon, et al.. Modelling anisotropic lateral oxidation from circular mesas. Optical Materials Express, 2018, 8 (7), pp.2436-2438. ⟨10.1364/OME.8.001762⟩. ⟨hal-01809678⟩
Conference papers
- Eric Tournié, M Rio Calvo, L Monge-Bartolome, A Gilbert, A Remis, et al.. MBE Growth of Mid-Infrared Lasers on Silicon. Inteernational Conference on Molecular beam Epitaxy, ICMBE 2022, Sep 2022, Sheffield, United Kingdom. ⟨hal-03791638⟩
- Daniel Andres Díaz Thomas, Oleksandr Stepanenko, Michaël Bahriz, Stéphane Calvez, Thomas Batte, et al.. Sb-based interband cascade Mid-IR devices with top GaAs metamorphic layers. Compound Semiconductor Week 2021 (CSW 2021), May 2021, Stockholm (online), Sweden. ⟨hal-03358749⟩
- Stéphane Calvez, Oleksandr Stepanenko, Daniel A Díaz-Thomas, Thomas Batte, M. Bahriz, et al.. Progress in Interband Cascade Lasers: from edge emitting lasers to VCSELs. 2020 22nd International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), Jul 2020, Bari, Italy. pp.1-4, ⟨10.1109/ICTON51198.2020.9203274⟩. ⟨hal-02996714⟩
- Stéphane Calvez, Gael Lafleur, Oleksandr Stepanenko, Alexandre Arnoult, Antoine Monmayrant, et al.. Controlled Oxidation of III-V Semiconductors for Photonic Devices. 21st International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON 2019), Jul 2019, Angers, France. pp.1-4, ⟨10.1109/ICTON.2019.8840290⟩. ⟨hal-02296303⟩
- Daniel Andres Diaz Thomas, Oleksandr Stepanenko, Michaël Bahriz, Stéphane Calvez, Thomas Batte, et al.. Towards MIR VCSELs operating in CW at RT. Compound Semiconductor Week 2019 (CSW 2019), May 2019, Nara, Japan. ⟨10.1109/iciprm.2019.8819164⟩. ⟨hal-03012184⟩
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Partenaires
IES – LAAS – Foton-OHM
Coordinateur
Laurent CERUTTI (IES)
Coordinateur i-FOTON: Christophe LEVALLOIS
Financement
ANR (516 k€)
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