L'Institut national des technologies de l'information et des communications du Japon, en collaboration avec Sony Semiconductor Solutions Corporation (Sony), a développé le premier laser émettant de surface pratique au monde qui utilise quantum dot (QD) comme moyen de gain optique pour une utilisation dans les systèmes de communication optique en fibre.
Cette réalisation a été rendue possible par la technologie de croissance des cristaux de haute précision de NICT et la technologie de traitement avancée des semi-conducteurs de Sony. Le laser émettant de surface développé dans cette étude intègre des structures semi-conductrices à l'échelle à l'échelle nanométrique appelés points quantiques comme matériaux émettants. Cette innovation facilite non seulement la miniaturisation et la réduction de la consommation d'énergie des sources de lumière dans les systèmes de communication en fibre optique, mais offre également des réductions potentielles des coûts grâce à la production de masse et à une production améliorée via l'intégration.
Les résultats de cette recherche sont publiés dans Optics Express.
Les technologies de communication modernes nécessitent une transmission de données à grande capacité avec une consommation d'énergie minimale. Les lasers émettants en surface de la cavité verticale (VCSEL) ont attiré une attention significative en tant que technologie clé qui répond à ces exigences, en particulier dans les communications optiques.
Cependant, les VCSEL fonctionnent généralement dans la région proche infrarouge, à des longueurs d'onde de 850 ou 940 nm. Le développement de VCSEL qui fonctionnent à une longue longueur d'onde de 1 550 nm – utilisés généralement dans les communications de fibres optiques existantes – présente des défis techniques importants. Ce défi résulte d'une complexité accrue à la fois dans la sélection des matériaux et la conception structurelle pour les VCSEL à longueur d'onde à longue longueur d'onde que ceux des VCSEL de longueur d'onde courte. De plus, une sortie élevée et une efficacité élevées dans les VCSEL à 1 550 nm est nécessaire pour développer une structure de matériau ou de dispositif qui émet efficacement.
Dans un projet de recherche conjoint avec Sony, le NICT a réalisé le premier VCSEL à moteur électrique au monde fonctionnant à 1 550 nm – la longueur d'onde standard pour la communication de fibres optiques – utilisant des structures semi-conductrices à l'échelle nanométrique appelés points quantiques sous le nom de matériau de gain optique.
NICT a développé la première technologie de base: une méthode de croissance cristalline de haute précision pour les semi-conducteurs composés utilisant l'épitaxie du faisceau moléculaire. La fabrication d'un VCSEL nécessite la croissance d'un film multicouche semi-conducteur hautement réfléchissant (DBR: réflecteur Bragg distribué) pour améliorer l'intensité de la lumière; Cependant, la fabrication de DBR qui fonctionnent à 1 550 nm a été difficile, car la combinaison de matériaux qui peut être cultivée est limitée.
Dans cette étude, les chercheurs ont développé une technologie qui peut augmenter avec précision DBR en contrôlant strictement le rapport des matériaux dans la croissance des cristaux et a réalisé un DBR semi-conducteur avec une réflectivité élevée dépassant 99% même à 1 550 nm. De plus, des techniques de compensation de déformation ont été appliquées à la production de VCSEL pour annuler avec précision la déformation en cristal interne (déformation générée dans le matériau) qui se produit autour des points quantiques, augmentant ainsi considérablement la densité des points quantiques et l'amélioration des performances de lancement de la lumière.
Sony a contribué à la deuxième technologie de base: un processus de conception et de fabrication d'appareils qui permet une injection de courant très efficace en utilisant une structure appelée jonction tunnel. Les VCSEL émettent une lumière perpendiculaire à la surface de la plaquette; Par conséquent, même si les points quantiques émettent de la lumière, le placement conventionnel des électrodes obstrue l'extraction de la lumière. Sony l'a abordé en mettant en œuvre une structure de jonction de tunnel qui permet un flux de courant efficace tout en facilitant l'extraction de la lumière en utilisant un processus de dispositif précis.
Grâce à l'intégration de ces deux technologies, l'équipe a réussi à créer des VCSEL lasing en utilisant des points quantiques à 1 550 nm comme matériau électrophique avec un petit courant de 13 mA (seuil bas). De plus, les fluctuations de polarisation ont été éliminées, résultant en une sortie stable.
Les VCSEL utilisant des points quantiques comme matériaux de gain optique présentent une excellente stabilité de la température. De plus, les VCSEL présentent des structures évolutives qui permettent la production de masse. Ces caractéristiques devraient permettre des performances plus élevées, un coût réduit et une production plus élevée via l'intégration des lasers de longueur d'onde de communication optique.
Les chercheurs visent à mener des études techniques avancées sur la technologie VCSEL basée sur les points quantiques afin d'améliorer encore la capacité et de réduire la consommation d'énergie dans les systèmes de communication de fibres optiques au-delà de l'ère 5G. Parallèlement, ils entreprendront des efforts pour promouvoir le déploiement social de cette technologie.
