Les lasers à cascade quantique Terahertz : Haute Température, accordabilité et hybridation avec la technologie micro-ondes

Terahertz Quantum Cascade Laser : high Temperature, Tunability, and hybridisation with microwave technologies

• Auteur / Autrice : Wilfried Maineult
• Direction : Carlo Sirtori
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes (électronique)

Rayonnement infrarouge

Optique quantique

Guides d'ondes

Lasers à semiconducteur

Résumé

Les lasers à cascade quantique térahertz sont des sources performantes et compactes, qui comblent le fossé dans le spectre électromagnétique entre les émetteurs optiques et micro-ondes. Dans un premier temps, ce travail a porté sur les performances de ces lasers. Le dessin de nouvelles zones actives a mis en évidence l'importance d'une injection sélective sur l'état excité de la transition laser. Une étude préliminaire introduisant une barrière d'injection sélective a été menée, permettant d'obtenir l'effet laser jusqu'à 45 K. L'étude du champ lointain des lasers munis de guides d'ondes double métal a montré la nécessité d'améliorer leur champ lointain. L'ajout d'une micro-antenne cornet, technologie issue du domaine hyperfréquence, à l'extrémité du guide d'onde a permis de démontrer une meilleure directionnalité du champ lointain et une meilleure extraction de la puissance hors de la cavité Au final une amélioration de la puissance collectée par un miroir f/1 supérieure à un facteur 20 a été constatée. Dans un second temps, de nouvelles fonctionnalités ont été ajoutées au dispositif. Un laser accordable électriquement sur une plage de 6. 6% de la longueur d'onde centrale a été obtenu en intégrant deux zones actives distinctes à l'intérieur d'un dispositif muni de 3 contacts électriques. Enfin, la propagation d'ondes hyperfréquences dans des guides d'onde double métal a été étudiée jusqu'à 55 GHz, nous permettant d'estimer la bande passante de modulation électrique d'un dispositif de 1 mm de longueur à 70 GHz. Cette étude a également permis la réalisation d'une adaptation d'impédance à bande étroite et la modulation d'amplitude directe des dispositifs jusqu'à 25 GHz.

Terahertz Quantum Cascade Lasers are a compact and bright source filling the gap between optical and micro wave sources. First, this work was focused on improving the performance of the source. New active region design showed the importance of acquiring a selective injection onto the excited state of the laser transition. A laser with selective injection barrier was designed, and preliminary measurement showed laser action up to 45K. The consideration of the far field of double metal lasers pointed out its lack of directionality, The addition of an micro-horn antenna, widely used in microwave field, proved to enhance both the directionality of the far field and the power extraction out of the waveguide, leading to a more than 20 fold increase of the power collected by a f/1 mirror. In a second time, new functionalities have also been demonstrated. An electrically tunable device, over 6. 6% of the central wavelength, was demonstrated, obtained by integrating two different active regions in a 3 electrical contacts device. Last, the microwave propagation in double metal waveguides was studied up to 55 GHz. From the data a modulation bandwidth of 70 GHz for a 1-mm long laser. This study allowed us to design an shunt open stub impedance matching, that permitted direct amplitude modulation of the laser up to 25 GHz.