Orientation patterned GaAs (OP-GaAs) for the development of mid-infrared laser sources
GaAs à orientation périodique pour la réalisation de sources accordables dans l'infrarouge
Résumé
The development of powerful laser sources in the infrared spectral ranges weakly absorbed by the atmosphere [3 μm-5 μm] and [8 μm-12 μm] presents a major interest for several defense optronics applications. A promising solution, studied for several years within Thales Research and Technology, is to develop OPO sources (Optical Parametric Oscillator) based on frequency conversion in non-linear crystals. Semiconductor as GaAs are excellent candidates for this type of application. However, the crystallographic properties of GaAs (cubic point group symmetry) hamper traditional birefringent phasematching (BPM). The processes of conversion can be optimized then only by periodically inverting the sign of the non-linear coefficient: it is the Quasi-Phasematching technique (QAP). We developed a stable and reproducible manufacturing process of QAP-GaAs structures, compatible with the realization of infrared OPO. The adopted solution bases itself on two technological stages: the first one consists in making an Orientation-Patterned GaAs substrate (OP-GaAs) with periodic modulation of the non-linear coefficient. This substrate constitutes then a germ for the GaAs growth step by HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy). This technique, characterized by a high growth rate, allows to realize 500 μm thick OP-GaAs structures by preserving the initial modulation of the non-linear coefficient. The optical quality of the structures permits to realize an OPO presenting the highest conversion efficiency and output power achieved to date from OP-GaAs.
Le développement de sources laser puissantes et agiles dans les gammes spectrales infrarouges faiblement absorbées par l'atmosphère [3 µm-5µm] et [8µm-12µm] présente un intérêt majeur pour les applications militaires liées au domaine des contre-mesures optiques. Une solution prometteuse, étudiée depuis plusieurs années au sein de Thales Research & Technology, est de développer des sources OPO (Oscillateurs Paramétriques Optiques) basées sur les phénomènes de conversion de fréquence dans des cristaux non-linéaires. Les matériaux semi-conducteurs comme le GaAs sont d'excellents candidats pour ce type d'application mais leur groupe ponctuel de symétrie cubique les rend isotropes, et donc impropres au traditionnel accord de phase biréfringent. Les processus de conversion ne peuvent alors être optimisés qu'en inversant périodiquement le signe du coefficient non-linéaire : c'est la technique de Quasi-Accord de Phase (QAP). La mise en oeuvre de cette technique a longtemps constitué un frein au développemnt du GaAs comme matériau non-linéaire. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont donc permis de lever les différents verrous technologiques existants. Nous avons développé un procédé de fabrication stable et reproductible de structures GaAs à QAP(Quasi -Accord de Phase) présentant les propriétés compatibles avec la réalisation d'OPO (Oscillateurs Paramétriques Optiques) infrarouges. La solution adoptée se base sur deux grandes étapes technologiques : la première consiste à fabriquer un substrat GaAs à orientation périodique. Ce substrat constitue ensuite un germe pour une deuxième étape de croissance de GaAs par HVPE 5Hydride Vapour Phase Epitaxy). Cette technique, caractérisée par une grande de dépot, permet de réaliser des structures de 500 µm d'épaisseur, adaptées au pompage optique de forte puissance, en conservant la modulation initiale du coefficient non-linéaire. La qualité optique des structures GaAs à QAP fabriquées a alors permis de réaliser un OPO présentant les meilleurs rendements et puissance rapportés à ce jour avec de telles structures
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Matériaux
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