Photonique pour les lasers à cascade quantique térahertz

par Yannick Chassagneux

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Raffaele Colombelli.


  • Résumé

    Situées entre l'infrarouge et les micro-ondes, les ondes dites "terahertz" (THz) ont les propriétés de passer aussi bien à travers la peau et les vêtements que les papiers, le bois, le carton ou encore le plastique. Autant d'atouts qui permettent d'envisager de multiples applications dans les secteurs de l'imagerie médicale, de la spectroscopie, de la sécurité et de l'environnement. D'où l'intérêt que suscitent les lasers à cascade quantique terahertz, une récente famille de lasers semi-conducteurs qui émettent à des fréquences de l'ordre du terahertz. Pourtant, s'ils sont aujourd'hui les seules sources compactes fonctionnant dans cette gamme de fréquences, ils présentent deux inconvénients: Premièrement, ils ne fonctionnent qu'à des températures cryogéniques. En vue d'une augmentation future de la température maximale de fonctionnement (Tmax), nous avons développé une étude comparative en fonction de la fréquence d'émission, ce qui a permis de déterminer les mécanismes principaux limitant la Tmax (courant parasite ainsi que l'émission de phonons optiques longitudinaux activés thermiquement). Deuxièmement, afin d'obtenir les meilleures Tmax, l'utilisation d'un guide métal-métal est nécessaire. Néanmoins, dans un tel guide, l'émission obtenue est fortement divergente, ce qui s'avère rédhibitoire pour une utilisation généralisée. Pour résoudre ce point, nous avons intégrés des cristaux photoniques bidimensionnels définis uniquement par la géométrie du métal supérieur, ce qui a permis l'obtention d'une émission directive par la surface, spectralement mono-mode, tout en maintenant des températures de fonctionnement assez élevées.

  • Titre traduit

    Photonics for terahertz quantum cascade laser


  • Résumé

    So-called “terahertz” waves, which lie between infrared and microwaves, have the property of penetrating skin, clothing, paper, wood, cardboard or plastic. These advantages offer numerous applications in medical imaging, spectroscopy, security, and the environment. This is why terahertz quantum cascade lasers - a new family of semiconductor lasers that emit in the frequency range of the terahertz - raise such interest. However, although they are now almost the only compact sources operating within this frequency range, they have two major drawbacks: First, they operate only at cryogenic temperatures. In order to develop strategies to their maximum operating temperature (Tmax), we have developed a comparative study, as a function of the laser emission frequency, which allowed us to elucidate the main factors which limit the devices Tmax (parasitic channel and emission of activated longitudinal-optical phonons). Secondly, the best Tmax are obtained to date by using metal-metal waveguides. However in such waveguides, the resulting emission is strongly divergent, a drawback which prevents their widespread use. We have overcome this issue by using 2D photonic crystals, defined by the sole metal patterning. This approach yields an angularly narrow surface emission, which is also spectrally single mode, with reasonably high maximum operating temperatures.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (250 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 238-250

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2009)147
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