Lasers à cascade quantique

Les lasers à cascade quantiques (QCL) sont des lasers semi-conducteurs qui émettent de l’infrarouge moyen, à partir de longueurs d’onde aux alentours de 3 μm, jusqu’aux ondes térahertz dans l’infrarouge lointain, avec des longueurs d’onde jusqu’à quelques centaines de micromètres. Leur émission couvre donc deux décades du spectre électromagnétique (en longueur d’onde entre 3 et 300 μm ou en fréquence entre 3 et 300 THz). Une caractéristique remarquable de ces lasers est que cette vaste gamme de fréquences est couverte fondamentalement par une seule filière de matériaux semi-conducteurs : AlInAs/GaInAs dont la croissance est effectuée sur substrat de phosphure d’indium (InP). En effet, pour ce concept original de laser, la longueur d’onde d’émission n’est pas liée à la bande interdite du semi-conducteur, mais déterminée par l’épaisseur et l’alternance de fines couches formant un potentiel quantique dans lequel les électrons sont injectés. De plus, ces semi-conducteurs sont déjà très utilisés par la technologie des télécommunications, qui emploie des alliages très similaires pour la réalisation de diodes lasers, de détecteurs et d’autres composants optoélectroniques. Les lasers à cascade quantique ont donc été inventés et réalisés, sans qu’un véritable développement de matériaux leur ait été associé. Ainsi, leurs performances ont pu progresser rapidement grâce aux améliorations conceptuelles du dispositif, sans devoir attendre les travaux de raffinement du matériau. Enfin, la nature des matériaux constituant le dispositif est accessoire et sert juste de support pour l’implémentation des concepts quantiques qui régissent le fonctionnement de ces lasers. Mis à part l’aspect conceptuel très important, le fait de pouvoir réaliser des lasers sur une gamme de fréquences si vaste, toujours en exploitant le même système de matériaux, simplifie énormément leur fabrication. Une fois qu’un procédé de fabrication est mis au point pour une longueur d’onde, il pourra être exploité à l’identique pour toutes les autres longueurs d’onde.

Il y a deux caractéristiques propres aux lasers à cascade quantique qui les démarquent d’une façon fondamentale des autres lasers semi-conducteurs et en général de tout émetteur de lumière conventionnel à base de semi-conducteurs. Il s’agit de l’unipolarité (un dispositif à base d’électrons uniquement) et du schéma en cascade (plusieurs photons sont émis par chaque électron qui traverse la structure). L’unipolarité provient du fait que les transitions optiques du laser à cascade quantique se produisent entre des états électroniques de la bande de conduction (sousbandes). Ces transitions sont communément désignées sous le nom de transitions intersousbandes et résultent du confinement des électrons dans de très fines couches de semi-conducteur, les puits quantiques, et n’existent pas dans les matériaux massifs. En ce sens, le laser à cascade quantique est un dispositif intrinsèquement à deux dimensions. L'autre caractéristique fondamentale des QCLs est le schéma en cascade à plusieurs étages, dans lequel les électrons sont recyclés d’une période à l'autre, contribuant chaque fois au gain et à l’émission de photons.

Les lasers à cascade quantique ont été mis en évidence pour la première fois en 1994 dans les Laboratoires Bell de la compagnie américaine de téléphone AT&T. En 2019, la plupart des brevets originaux sont désormais dans le domaine public, même si d’autres brevets ont été déposés au cours des années sur la fabrication ou l’encapsulation des QCL. Ces aspects de propriété intellectuelle, combinés avec l’essor de senseurs infrarouges pour la détection de molécules, constituent une forte motivation pour valoriser cette technologie. Il y a en 2019 une dizaine de sociétés dans le monde qui commercialisent les lasers à cascade quantique et une vingtaine, au moins, qui assemblent des systèmes, pour différentes applications, dans lesquels le laser à cascade quantique est un composant essentiel. Entre 2019 et 2030, une forte croissance de systèmes dans l’infrarouge moyen est attendue, qui entraînera par conséquent le développement d’un marché parallèle de composants, dispositifs et fibres dans ces longueurs d’onde considérées à présent comme exotiques.

Cet article présente tout d’abord les propriétés physiques sur lesquelles repose le laser à cascade quantique. La propriété d’unipolarité et le schéma en cascade, sont notamment traités. Ces caractéristiques jouent un rôle clé dans le fonctionnement du laser et dans ses performances actuelles. L’article termine en présentant un panorama des applications actuelles des QCL et des perspectives dans la technologie.