Combinaison monolithique de lasers à cascade quantique par couplage évanescent

Monolithic beam combining of quantum cascade laser by evanescent coupling

• Auteur / Autrice : Guy-Maël de Naurois
• Direction : Alexei Tchelnokov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/12/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : III-V Lab - Alacatel-Thalès III-V lab
• Jury : Président / Présidente : Patrick Georges
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexei Tchelnokov, Patrick Georges, Vincent Kermene, Roland Teissier, Joachim Wagner, Mathieu Carras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Kermene, Roland Teissier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cohérence (optique)

Lasers à semi-conducteur

Dispositifs optoélectroniques

Mots clés libres

Moyen infrarouge

Lasers semiconducteurs

Combinaison cohérente

Mise en phase

Lasers à cascade quantiques

Mid-Infrared

Semiconductor lasers

Coherent beam combining

Phase-locking

Quantum cascade lasers

Résumé

Au cours des dix dernières années, les performances des lasers à cascade quantique dans le moyen infrarouge ont connu une progression rapide: Les rendements ont atteint des valeurs supérieures à 20% avec une puissance d’émission de 5W en régime continu, à température ambiante. Ces valeurs ont été atteintes notamment grâce à la diminution de la sensibilité des lasers à l’échauffement, avec des températures caractéristiques T0 s’approchant de 300K. Les performances sont donc actuellement limitées par la puissance injectée, qui est proportionnelle à la taille de la zone de gain. Les travaux de cette thèse présentent une solution innovante, consistant à combiner un réseau d’émetteurs de petites tailles de façon monolithique. Nous démontrons expérimentalement pour la première fois, des dispositifs jusqu’à 32 émetteurs de 2µm de larges, émettant en phase par couplage évanescent. De plus, nous mettons en évidences des résistances thermiques record. Ces résultats mettent en évidence la possibilité de fabriquer des sources de hautes puissances (supérieures à 10W) dans le moyen-infrarouge avec une très bonne qualité de faisceau.

During the last 10 years, the quantum cascade lasers performances in the mid-infrared have been considerably improved: the wall plug efficiency has reached values superior to 20%, with output power up to 5W in continuous wave operation, at room temperature. Those values have been achieved due to the reduction of the temperature sensibility of the lasers, with characteristic temperature T0 reaching 300K. The output power is now limited to the injected power, which is proportional to the gain region size. This thesis reports an innovating solution consisting on beam combining an array of narrow emitters, monolithically. We experimentally demonstrate for the first time devices of up to 32 emitters of 2µm width emitting in phase by evanescent coupling. Moreover, we show record thermal resistance. Those results highlight the possibility to fabricate high power sources (superior to 10 W) in the mid-infrared, with a good beam quality.