Génération d'impulsions térahertz ultrarapides à partir de lasers à cascade quantique

Ultrafast terahertz pulse generation from quantum cascade lasers

• Auteur / Autrice : Feihu Wang
• Direction : Jérôme Tignon, Sukhdeep S. Dhillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 17/10/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pierre Aigrain (Paris)
• Jury : Président / Présidente : William Sacks
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Dolfi, Arnaud Garnache
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Miriam Serena Vitiello, Francis Hindle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement terahertz

Impulsions picosecondes

Lasers à cascade quantique

Mots clés libres

Térahertz

Laser à cascade quantique

Verrouillage de modes

Impulsions ultra-rapides

Champ lointain

Spectroscopie dans le domaine temporel

Terahertz

Quantum Cascade Lasers

Mode-locking

Ultrafast Pulse

Far-field

Timedomain Spectroscopy

Résumé

Lasers à cascades quantiques (LCQs) THz sont des dispositifs à semi-conducteurs fondamentaux pour l'action du laser dans la gamme THz. Des évolutions considérables ont été réalisées dans la dernière décennie en termes de fonctionnement de la température et de la puissance de sortie. LCQs THz peuvent posséder de bandes spectrales très larges, les rendant approprié pour la génération d'impulsions THz ultracourtes par blocage de mode. Cependant, à ce jour, la génération d'impulsions THz de LCQ a été limitée à 10 - 20 ps, en dépit de plusieurs années d'efforts de recherche. Dans cette thèse, ce goulot d'étranglement dans la technologie QCL est étudié et surmontée. Plusieurs étapes qui ont permis la réalisation de génération d'impulsions ultracourtes de LCQ ont été réalisées. Performances de "state-of-the-art" actuelles sont représentés, à l'aide de LCQ avec une bande passante étroite dans des guides d'ondes "single-plasmon" et des impulsions THz de 20 ps sont générés à basse température (10K). Ceci est suivi par, pour la première fois, le verrouillage de modes des LCQs des bandes spectrales larges dans les guides d'onde métal-métal à des températures élevées (77k). Même avec de bandes spectrales larges, les impulsions obtenus étaient seulement 11 ps et nous montrent que la dispersion de l'indice et la modulation électrique sont les facteurs critiques. Enfin, ces effets sont compensés par un interféromètre de Gires-Tournois et un modulation de perte. Cette approche permet de générer des impulsions aussi courtes que 4 ps, avec la possibilité d'aller beaucoup plus loin dans la sous-picoseconde.

THz quantum cascade lasers (QCLs) are foundational semiconductor devices for laser action in the THz range. Considerable developments have been made in the last decade in terms of temperature operation and high output power. THz QCLs can also possess extremely large spectral bandwidths, rendering them suitable for ultrashort THz pulse generation through modelocking, with pulse widths of a few picoseconds theoretically obtainable. However, to date, the generation of THz pulses from QCLs has been limited to 10 - 20 ps, despite several years of research effort. In this thesis, this bottleneck in QCL technology is investigated and overcome. Several milestones have been achieved that permitted the realization of ultrashort pulse generation from QCLs. Current state-of-the-art performances are shown, using narrow spectral bandwidth QCLs in single-plasmon waveguides, and where modelocking results in 20 ps long THz pulses at low temperatures (10K). This is followed by, for the first time, mode-locking of broad spectral bandwidth QCLs in sub-wavelength metal-metal waveguides at ‘high’ temperatures (77K). Even with large spectral bandwidths, the shortest pulses achieved were only 11 ps and we show that the index dispersion and the electrical modulation are the critical factors. Finally, these effects are compensated through a Gires-Tournois interferometer and an extra loss mechanism, respectively, integrated monolithically onto a QCL. This approach permits to generate pulses as short as 4 ps, with the potential to go considerably further to the sub-picosecond or single cycle regime.