Les lasers à semi-conducteurs à pompage électrique sont parmi les sources les plus importantes, en raison de leur rendement élevé, de leur compacité et de leur stabilité à l’état solide. Pour le rayonnement infrarouge moyen et térahertz, les lasers à cascade quantique (QCL) sont les sources lumineuses les plus importantes fonctionnant par pompage électrique. Pour démontrer l’émission laser monomode, des réseaux à rétroaction distribuée (DFB) conçus artificiellement peuvent être modelés au-dessus d’un laser à crête.
De tels QCL basés sur DFB peuvent donner lieu à une émission de sortie proche du niveau du watt tout en maintenant une émission monomode. Cependant, en plus du fonctionnement monomode, la recherche sur les QCL nécessite toujours une ingénierie de faisceau non triviale (par exemple, des faisceaux polarisés circulaires, des faisceaux vortex et d’autres faisceaux vectoriels) et une émission optique élevée à partir d’un seul dispositif laser, ce qui est très souhaité pour applications optoélectroniques avancées, telles que les communications, l’imagerie, la spectroscopie, etc.
Dans un nouvel article publié dans Sciences de la lumière et applicationsune équipe de scientifiques dirigée par le professeur Qi Jie Wang de l’École de génie électrique et électronique de l’Université technologique de Nanyang, à Singapour, a mis au point un laser de masse topologique compact à pompage électrique qui offre simultanément une émission monomode et un faisceau vectoriel cylindrique sur toute la longueur plage dynamique.
« Le développement de lasers isolants topologiques à pompage électrique a récemment suscité de nombreux intérêts de recherche car il est considéré comme une direction prometteuse avec de grandes perspectives pour repousser les limites de la photonique topologique dans des applications pratiques. La topologie photonique découle de la physique de la matière condensée. En construisant correctement une cavité photonique topologique et en l’intégrant avec des matériaux à gain, nous pouvons la rendre laser », ont déclaré les chercheurs.
« Pendant ce temps, la topologie de la bande photonique permet aux modes optiques d’être protégés de manière robuste contre les défauts, les désordres et les virages serrés. Dans un autre travail indépendant de notre équipe, nous avons démontré que les états de bord topologiques offrent en effet une robustesse sans précédent aux QCL térahertz. Maintenant dans le travail récemment présenté, nous avons porté notre attention sur les bords de bande de volume topologiques qui reflètent la correspondance topologique bien connue de bord de volume.
« Nous montrons que les bords de bande topologiques à bande inversée prennent en charge des facteurs de qualité élevés, ce qui les rend avantageux dans la compétition de gain par rapport à tous les autres modes photoniques. Nous utilisons la plaquette QCL couramment utilisée qui est recouverte de doubles couches métalliques. La cavité photonique topologique avec un domaine non trivial entouré par le domaine trivial est gravé des trous de cylindre d’air à partir de la facette d’émission de surface », ont expliqué les chercheurs.
« Il y a plusieurs mérites à construire une telle [a] », ont-ils poursuivi. « Premièrement, un mode optique existant dans le domaine topologique ne peut pas se propager dans le domaine trivial dans la direction latérale en raison de leurs phases topologiques distinctes. Il en résulte un confinement latéral pour les modes optiques souhaités dans le domaine topologique. Deuxièmement, comme les modes de bord de bande possèdent une incompatibilité de symétrie pour des facteurs Q infinis et une singularité de polarisation en champ lointain dans l’espace d’impulsion, ce sont les états liés bien connus dans le continuum (BIC), qui fournissent des confinements verticaux. Les deux mécanismes sont hautement souhaitables pour la miniaturisation des dispositifs laser et l’émission laser monomode. Fait intéressant, la topologie en champ lointain, c’est-à-dire la singularité de polarisation, du BIC émet un faisceau vectoriel », ont-ils ajouté.
« La démonstration du laser à faisceau vectoriel térahertz monolithique suscitera de nombreux intérêts dans différents domaines de recherche. Fondamentalement, notre conception de cavité laser ne repose que sur la modulation de l’indice de réfraction diélectrique. Par conséquent, elle peut être facilement adaptée à d’autres régimes de longueur d’onde, tels que le le moyen IR, le proche IR et les régions visibles, qui pourraient être développées pour des applications plus potentielles », ont conclu les scientifiques.
Plus d’information:
Song Han et al, lasers de masse topologiques compacts à pompage électrique entraînés par des états liés à bande inversée dans le continuum, Lumière : science et applications (2023). DOI : 10.1038/s41377-023-01200-8