Lasers à cascade quantique à plasmons de surface et leurs applications aux cristaux photoniques

Quantum cascade lasers with surface plasmons waveguides and their applications to photonic crystals

• Auteur / Autrice : Michaël Bahriz
• 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

Cristaux photoniques

Mots clés libres

Intersousbande

Moyen infrarouge

Térahertz (THz)

Pertes et gains

Micro-cavité

Résumé

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit traite des lasers à cascade quantique à plasmons de surface dans la gamme spectrale du moyen-IR et de leurs applications aux cristaux photoniques moyen-IR et THz. Pour les grandes longueurs d’onde (λ > 10µm) la lumière est confinée au sein de la région active du laser grâce à une couche de métal déposée directement à la surface de la région active. Ces guides sont appelés guide à plasmons de surface. La faible épaisseur de ces guides est un atout majeur pour la fabrication de dispositifs à cristal photonique ou DFB (Distributed Feed Back). Ce manuscrit présente une étude complète de ces guides. Il démontre de manière expérimentale et théorique qu’il est possible d’améliorer les performances de ces guides en utilisant une couche d’argent à la place de l’or habituellement utilisé. Pour approfondir cette étude, une méthode originale basée sur les guides multisections et permettant de mesurer les pertes et le gain des guides à plasmons de surface a été soigneusement étudiée à l’aide de nombreuses expériences. La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée à l’étude théorique du réseau nid d’abeille pour la fabrication de microcavité laser pour le moyen-IR et le THz. Cette étude est réalisée grâce à des simulations bidimensionnelles à partir d’un code utilisant la méthode des ondes planes et en trois dimensions grâce à un code utilisant la méthode FDTD (Finite-Difference Time-Domain). Lors de ces études, un phénomène nouveau a été mis en évidence sur les guides métal-métal THz démontrant qu’il est possible d'implémenter un cristal photonique par la seule structuration du métal du contact supérieur.

This thesis work is focused on quantum cascade lasers with surface plasmons waveguides, operating in the mid-IR range of the electromagnetic spectrum, and their applications to photonic crystals in the mid-IR and THz. For long wavelengths (λ> 10 μm) light is confined within the laser active region by a metallic layer on the device top surface. These waveguides are known as “surface plasmons waveguides”. Their reduced thickness is advantageous for the implementation of photonic crystal or DFB (Distributed Feedback) devices. The manuscript presents a comprehensive study of these waveguides. It demonstrates - experimentally and theoretically - that it is possible to improve the performance surface-plasmon quantum cascade lasers by using silver instead of gold as surface-plasmon-carrying layer. In addition, an original method for gain and loss measurement based on multi-section resonators has been employed to carefully study surface-plasmon devices. The second part of this manuscript is devoted to a theoretical study of the honeycomb lattice in view of the fabrication of microcavity lasers for the mid-IR and THz ranges of the electromagnetic spectrum. This study has been realized via two-dimensional simulations using the plane wave expansion method, and also in three dimensions within a FDTD (Finite-Difference Time-Domain) approach. Thanks to this study, a new phenomenon has been elucidated: metal-metal waveguides operating in the THz range offer the possibility to implement a photonic crystal by the sole metal patterning on the top device surface, without using a deep semiconductor etch.