Lasers à cascades quantiques InAs / AISb au-delà de 10µm : émission mono-fréquence et génération du THz par différence de fréquences

par Zeineb Loghmari

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Alexeï Baranov et de Michaël Bahriz.

Le président du jury était Stefano Barbieri.

Le jury était composé de Alexeï Baranov, Michaël Bahriz, Stefano Barbieri, Angela Vasanelli, Guilhem Almuneau, Adel Bousseksou.

Les rapporteurs étaient Angela Vasanelli, Guilhem Almuneau.


  • Résumé

    Des applications telles que la spectroscopie des gaz ou l’imagerie médicale nécessitent des sources de lumières émettant dans l’infrarouge moyen et lointain (10 µm<λ < 28 µm) ainsi que dans le THz (λ > 60µm). Des composants à émission mono-fréquence, fonctionnant en régie continu (CW) et performants sont primordiales pour ce type d’applications. Les lasers à cascade quantiques (LCQs) sont les uniques sources pouvant couvrir cette large gamme de longueur d’onde grâce à leurs transitions inter-sous bandes. Toutefois les performances des LCQs dans cette gamme de longueur d’onde sont souvent limitées par les transitions non radiatives. Ces derniers génèrent des mécanismes tel que l’absorption des photons par les phonons TO où la relaxation des électrons par les phonons LO. Par conséquent, l’émission laser en CW et à température ambiante devient particulièrement difficile. L’objectif de cette thèse est le développement des LCQs InAs/AlSb au-delà de 10 µm pour l’émission mono-fréquence et la génération du THz par différence de fréquence. Un point clé dans ce travail est l’utilisation du système de matériaux InAs/AlSb. Son avantage repose sur la faible masse effective. Elle est de 0,023m0 pour l’InAs contre 0,041m0 pour l’InGaAs et 0,067m0 dans le GaAs. En premier lieu, la mise au point de régions actives LCQs à base d’InAs/AlSb émettant à 11µm a été effectuée. Ce travail a permis la réalisation de sources DFB mono-fréquence émettant en continu à 295K et qui ont été employées dans la spectroscopie QEPAS de l’éthylène. Ce LCQ transféré sur un substrat Silicium (Si), a démontré de très hautes performances. La gamme de longueur d’onde ≥ 11µm a également été exploitée. Tout d’abord en employant un guide d’onde diélectrique où cette étude a permis de réaliser des dessins de régions actives à 20µm dont les performances dépassent l’état de l’art mondial avec un fonctionnement en continu jusqu’à 240K. Ensuite, ces technologies ont aussi été exploitées en employant des guides d’onde métal-métal. Dans cette partie, les limites des guides métal-métal ont été exploités. Ceci a permis de réaliser un LCQ DFB bi-fréquence à guide métal-métal émettant deux longueurs d’ondes dans le lointain infrarouge pour la génération du THz par différence de fréquence. Dans ce contexte, la non-linéarité de ce type de région active a été optimisée. L’extraction de l’onde THz a également été étudiée.

  • Titre traduit

    InAs/AlSb quantum cascade lasers above 10µm : single-frequency emission and THz generation by difference frequency


  • Résumé

    Applications such as gas spectroscopy or medical imaging require light sources emitting in the mid- and far infrared (10 µm<λ < 28 µm) as well as in the THz (λ > 60µm). High-performance, continuous wave regime (CW) and single-frequency emission components are essential for this type of application. Quantum cascade lasers (QCLs) are the only sources that can cover this wide range of wavelengths thanks to their inter-sub-band transitions. However, the performance of LCQs in this wavelength range is often limited by non-radiative transitions. The latter generate mechanisms such as photon absorption by TO phonons or electron relaxation by LO phonons. As a result, laser emission in CW and at room temperature becomes particularly difficult. The objective of this thesis is the development of InAs/AlSb LCQs above 10 µm for single-frequency emission and THz generation by frequency difference. A key point in this work is the use of the InAs/AlSb material system. Their advantage is based on the low effective mass. It is 0.023m0 for InAs compared to 0.041m0 for InGaAs and 0.067m0 in GaAs.First, the development of LCQ active regions based on InAs/AlSb emitting at 11µm was carried out. This work made it possible to produce single-frequency DFB sources emitting continuously at 295K and which were used in QEPAS spectroscopy for ethylene sensing. This LCQ has also been transferred to Silicon (Si) substrate. He has demonstrated the world's most efficient LCQ grown directly on Si substrate. The wavelength range ≥ 11µm was also explored. First, by using a dielectric waveguide where this study leads to an active region design at 20µm whose performances exceed the state of the art in the world with continuous operation up to 240K. Then, these technologies were also exploited by using metal-metal waveguides. In this part, the limits of this waveguide were tested. This made it possible to produce a dual-frequency DFB CQL with a metal-metal waveguide emitting two wavelengths in the far infrared for the generation of THz by difference frequency. In this context, the non-linearity of this type of active region has been optimized. The extraction of the THz wave was also studied.

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