Conception et fabrication de lasers à cascade quantique pour la modulation à haute fréquence

Design, engineering and processing of QC Lasers for high frequency modulation

• Auteur / Autrice : Ariane Calvar
• Direction : Carlo Sirtori
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et interfaces
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Puits quantiques

Modulation de fréquence

Lasers à infrarouges

Lasers à cascade quantique

Optoélectronique

Résumé

Quantum cascade lasers (QCLs) are unipolar semiconductor lasers based on intersubband transitions that cover a large portion of the mid and far-infrared electromagnetic spectrum. This work focuses on the study of sources emitting in the mid-infrared range. Two main research lines have been followed in this work. The first one involves the design, fabrication and characterization of high performance ridge QC lasers grown by MOCVD. State-of-the-art threshold current density values are reported around 7. 5 and 9 pm, along with improved thermal performances in CW operation thanks to an optimized fabrication process. To get these results, an optimization work has also been carried out on the MOCVD growth conditions based on systematic post-growth characterization of the epitaxial samples to calculate the real band structure and relate it to the measured laser performances. Improved laser performances could be obtained by reducing the losses originating from the active region thanks to a better control of the growth. The other focus of this work is the fabrication of a mid-infrared QC laser monolithically integrated within a microwave microstrip line for high frequency modulation. By merging microwave and semiconductor laser technologies, we have demonstrated a flat frequency response up to 15 GHz for a device operating at 77 K and emitting at 9 pm. Laser performances are preserved and comparable to state-of-the-art devices. Direct modulation of the QCL embedded into microstrip line at the laser round trip frequency at 13. 7 GHz is investigated and injection-locking of the laser modes to an external RF synthesizer is demonstrated over the MHz range.

Les lasers à cascade quantique (QCLs) sont des dispositifs unipolaires dans lesquels la transition radiative se fait entre niveaux confinés de la bande de conduction de puits quantiques semi-conducteurs. Cette thèse porte sur l'étude de ces sources dans le moyen infrarouge. Deux axes de recherche principaux ont été abordés au cours de ces travaux de thèse. Le premier porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de QCLs à ruban crûs par MOCVD. Grâce à un procédé de fabrication optimisé, nous démontrons des courants de seuil à l'état de l'art ainsi qu'une amélioration des performances thermiques en continu. Par ailleurs, nous avons mené une étude systématique basée sur la caractérisation des échantillons après croissance afin de calculer la structure de bande réelle et la relier aux performances laser mesurées. Cela nous a permis d'optimiser les conditions de croissance MOCVD afin d'obtenir de meilleures performances en réduisant les pertes issues de la région active. La seconde partie de ce travail de thèse porte sur la fabrication d'un dispositif intégré pour la modulation directe en amplitude des lasers à cascade quantique dans le moyen infrarouge. Nous présentons un guide de type micro-ruban pour les micro-ondes intégré-avec la région active du QCL dans lequel les performances laser sont préservées tout en obtenant une réponse en fréquence plate jusqu'à 15 GHz à 77 K. En injectant un signal RF externe près de la fréquence d'aller-retour d'un photon dans la cavité à 13. 7 GHz, nous démontrons que nous pouvons verrouiller cette fréquence à celle du signal RF injecté sur une gamme de fréquence de l'ordre du MHz.