Fabrication et caractérisation de microlasers à modes de galerie et avec des émetteurs quantiques

Les modes de galerie (whispering gallery modes, WGM) ont suscité un vif intérêt en photonique et en détection en raison de leurs propriétés optiques uniques et de leurs facteurs de qualité élevés. Découverts pour la première fois au XVIIe siècle à la cathédrale Saint-Paul de Londres, les modes de galerie étaient initialement considérés comme un phénomène purement acoustique. Par la suite, il a été proposé qu'un effet équivalent existe pour les ondes électromagnétiques. Les modes optiques de galerie sont créés lorsque la lumière subit une réflexion totale interne à l'intérieur d'une cavité symétrique. Depuis leur découverte, de nombreuses études ont été menées sur un large éventail de géométries et de matériaux de microcavités, révélant un fort potentiel pour des applications telles que la biodétection, les microlasers, l'optique non linéaire et la photonique quantique. Plusieurs géométries de microcavités peuvent soutenir des WGM avec des facteurs de qualité élevés. Parmi les plus utilisées figurent les microsphères et les microdisques, qui offrent un fort confinement de la lumière et de hauts facteurs de qualité. Ces dernières années, d'autres géométries ont été explorées, telles que les cavités hexagonales, carrées, triangulaires et les microtoroïdes, facilitant la caractérisation et l'intégration de dispositifs. Pour soutenir des WGM, une condition fondamentale est que l'indice de réfraction de la cavité soit supérieur à celui du milieu environnant. Cela garantit la réflexion totale interne, composante clé du confinement de la lumière au sein de la cavité. Différentes techniques de micro- et nanofabrication permettent de réaliser de telles cavités. La photolithographie autorise la fabrication de microcavités cylindriques par exposition lumineuse de matériaux photosensibles. Cette technique offre une grande flexibilité de motifs de fabrication, idéale lorsque la géométrie de la cavité varie fréquemment. La fusion de l'extrémité de fibre est utilisée pour fabriquer des microsphères de verre qui présentent aujourd'hui les facteurs de qualité les plus élevés rapportés pour des résonateurs WGM, ce qui les rend idéales pour une détection à haute sensibilité. D'autres techniques, telles que l'épitaxie par jets moléculaires, la lithographie par faisceau d'électrons, ainsi que les procédés de gravure humide et sèche, permettent de réaliser des géométries de cavités variées. Lorsque la lumière est confinée dans la cavité, elle résonne à des longueurs d'onde discrètes, très sensibles à la géométrie de la cavité et à l'indice de réfraction du milieu environnant. Ce comportement est à la base des applications de détection : la présence de particules externes à la surface de la cavité perturbe l'indice effectif, décalant la longueur d'onde de résonance et permettant ainsi la détection de leur présence. En combinant la sensibilité des WGM avec une fonctionnalisation de surface ciblée, les biocapteurs peuvent atteindre une sensibilité et une sélectivité élevées. Les longueurs d'onde de résonance dépendent également de la température via des effets thermo-mécaniques, ce qui permet d'estimer les variations de température de l'environnement. Les microlasers à modes de galerie ont suscité un grand intérêt en raison de leurs applications dans divers domaines, tels que la biodétection et la photonique intégrée. À l'échelle microscopique, ces microlasers ont accéléré le transfert des travaux expérimentaux vers des applications concrètes. Cependant, la réduction d'échelle accroît la complexité de fabrication et d'intégration, en raison de l'impact important de la rugosité de surface, des inhomogénéités matérielles et du couplage de la lumière. Pour cette raison, la recherche se concentre désormais sur la fabrication à grande échelle de microlasers de haute qualité, avec des protocoles d'intégration robustes pour l'usage applicatif.