Etude du confinement optique dans les lasers à cascade quantique et applications à la détection

Optical confinement in surface plasmons and air guided quantum cascade lasers and applications to detection

• Auteur / Autrice : Virginie Moreau
• Direction : Raffaele Colombelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie en champ proche

Lasers à semiconducteur

Mots clés libres

Moyen infrarouge

Détection par la surface

Cristal photonique

Résumé

Depuis 1994, les lasers à cascade quantique se sont imposés comme la source laser à semiconducteur de choix dans le domaine du moyen et du lointain infrarouge. Comme la plupart des molécules chimiques possèdent des bandes d’absorption entre les niveaux de rotation-vibration qui se situent dans le moyen infrarouge, les lasers à cascade quantique sont particulièrement adaptés aux applications telles que la spectroscopie, la détection de gaz à l’état de traces ou l’imagerie médicale. Une des voies de recherche actives est aujourd’hui leur optimisation en vue de leur miniaturisation et de leur intégration dans des microsystèmes de détection. Ce travail de thèse présente l’étude et l’optimisation du confinement optique vertical dans des hétérostructures lasers à cascade quantique épitaxiées sans couche de confinement supérieure. Ces structures sont intéressantes puisqu’elles sont adaptées à la fois au guide à plasmons de surface et au guide avec un confinement par air. En menant une étude approfondie de la répartition du mode optique et du courant électrique, nous avons conçu des structures originales qui ouvrent notamment de nouvelles perspectives sur l’utilisation de ces lasers pour la détection de fluides. Nous avons également montré que l’observation par microscopie en champ proche est un outil précieux pour la caractérisation et la compréhension des lasers à cascade quantique. Finalement, nous posons les bases nécessaires à la réalisation de matrices de lasers monomodes, utilisant la technologie des cristaux photoniques

Quantum cascade lasers have been invented in 1994 and they have already established themselves as the semiconductor laser source of choice in the mid- and far-infrared ranges of the electromagnetic spectrum. As most molecules of chemical interest exhibit roto-vibrational transitions in these spectral ranges, quantum cascade lasers are especially suited for applications such as spectroscopy, trace gas detection or medical imaging. One of the current leading research axis targets the device optimization and miniaturization, with possible applications in detection microsystems. This PhD thesis work focused on the study and optimization of the vertical optical confinement in quantum cascade lasers featuring optical waveguides without top cladding layers. These structures are interesting because they are compatible with two different guiding mechanisms at the same time, i. E. Surface-plasmons and air confinement. The study of the characteristics of the optical mode and of the electrical current dispersion allowed us to conceive original structures which open new perspectives, for instance in the domain of analyte detection in a fluidic environment. Furthermore, we have shown that the observation by near field microscopy is a powerful tool to characterize and understand quantum cascade lasers. Finally, we have laid the foundations for the optimization of miniaturized arrays of single-mode lasers based on photonic crystal technology.