Quantum cascade laser in a microwave guide for the realization of a frequency comb

Laser à cascade quantique dans un guide micro-onde pour la réalisation d'un peigne de fréquence

• Auteur / Autrice : Margaux Renaudat Saint-Jean
• Direction : Carlo Sirtori
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à semi-conducteur

Lasers à cascade quantique

Mots clés libres

Peigne de fréquence

Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP)

Blocage de mode

Modulation hyperfréquence

Résumé

Le laser à cascade quantique (LCQ) est un dispositif compact unipolaire qui repose sur des transitions optiques entre les états quantifiés de la bande de conduction de puits quantiques. Sa longueur d'onde d'émission, facilement ajustable par une ingénierie de bandes, peut couvrir toute la gamme du moyen infrarouge. Les travaux réalisés pendant cette thèse portent sur la conception de nouvelles géométries de cavité afin de réaliser un peigne de fréquence. La majeure partie du travail de cette thèse a été d'améliorer la stabilisation et le contrôle de l'espacement entre les modes optiques dans la cavité Fabry-Perot d'un LCQ émettant à 9µm. En combinant les technologies des micro-ondes et des semiconducteurs, nous démontrons la génération d'un peigne de fréquence grâce à l'intégration d'une ligne micro-ruban (MR) dans une cavité d'un LCQ. Une étude comparative a été réalisée entre cette nouvelle géométrie et une géométrie standard. La stabilité de l'espacement entre les modes a été caractérisée en mesurant la composante hyperfréquence du signal optique à la fréquence d'aller-retour (AR) des photons. La largeur à mi-hauteur de ce signal est dix-sept fois plus faible que celle mesurée pour un LCQ standard pour une puissance optique de sortie similaire, preuve d'une meilleure stabilité dans la cavité. Grâce à l'injection d'un signal hyperfréquence stable à cette fréquence d'AR, nous contrôlons et stabilisons le peigne de fréquence sur une plage de l'ordre du MHz avec une puissance injectée de 10 mW. Les réponses à une modulation directe des dispositifs ont également été étudiées : la bande passante du laser MR est trois fois supérieure à celle d'un laser à standard à 10 GHz.

Quantum cascade lasers (QCLs) are unipolar compact devices based on optical transitions in quantum wells between the quantized states of the conduction band. Their emission wavelength, easily tailored thanks to quantum engineering, can cover the entire range of the mid-infrared spectrum. The work presented in this thesis deals with the design and the study of new cavity architectures for the realization of a frequency comb. Aim of the work is to improve the stability and the control of the intermode frequency spacing of Fabry-Perot QCL emitting at 9 ktm. By merging microwave and semiconductor laser technologies, we demonstrate the generation of a stable frequency comb, integrating a microstrip line in the QCL cavity. A comparative study of the new architecture and standard design has been carried out. The stability of the spacing between the modes has been characterized by measuring the microwave component of the optical signal at the round-trip frequency of photons in the cavity (13. 7 GHz). Full width at half maximum of this signal is seventeen times lower than that measured for a standard QCL with similar optical power, evidence of improved stability in the optical cavity. Through the injection of a stable microwave signal at the round-trip frequency, we control and stabilize the frequency comb over a range of the order of MHz with an injected power of 10 mW. The performance of direct modulation of the devices has been also investigated : the measured bandpass of the microstrip laser is three times higher than the standard laser at 10 GHz.