'CONTRAT DOCTORAL PRIORITAIRE' Génération de rayonnement THz par différence de fréquence dans les laser à cascade quantique grande longueur d'onde à base d'InAs.

par Zeineb Loghmari

Projet de thèse en Électronique

Sous la direction de Alexeï Baranov et de Michael Bahriz.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec IES - Institut d'Electronique et des Systèmes (laboratoire) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Les lasers à cascade quantique (QCL) sont un nouveau type de laser semi-conducteur à injection, fabriqués par des hétérostructures quantiques de semi-conducteur qui exploitent des transitions intersousbandes radiatives [1]. Ils couvrent aujourd'hui la majeure partie du spectre infrarouge, de 2.6 à 24 μm et de 5 à 1 THz (60 à 300 μm) [2]. Cependant, un fonctionnement à température ambiante LCQ est seulement réalisé dans la plage de longueurs d'onde entre 3 et 20 μm. Un défi pour la recherche dans ce domaine est encore la fabrication d'une source de semi-conducteurs émettant dans le domaine THz à la température ambiante, afin de permettre à des applications dans les domaines de l'imagerie, la spectroscopie ou ultra-haute vitesse de communication sans fil. Une solution pourrait être l'utilisation d'effets non linéaires dans les LCQ, à savoir la génération d'une différence de fréquence (DFG) dans un laser à double fréquence, comme l'a démontré expérimentalement il y a quelques années [3]. Ces résultats ont été obtenus dans les LCQ à base d'InP émettant autour de la longueur d'onde de 9 μm, avec de récents progrès [4]. Une difficulté majeure est cependant d'augmenter le rendement de conversion et l'extraction du rayonnement THz. Cela pourrait être fait en shiftant le laser de pompage pour atteindre des longueurs d'ondes plus grandes. et en obtenant un meilleur recouvrement et une adaptation de phase entre les modes de pompage et le THz. L'objectif de la thèse proposée est de développer une source THz fondée sur la génération d'une différence de fréquence en LCQ émettant à une longueur d'onde (15 à 20 μm) et sur la base du système d'antimoniure InAs/AlSb. Ces matériaux ont été développés et utilisés pour la fabrication de LCQ à l'IES depuis plus de 10 ans [5].Ils ont permis récemment la démonstration de l'opération des LCQ à grande longueur d'onde et opérant à température ambiante [6]. Un point intéressant pour leur utilisation en tant que source DFG est que la cavité optique de ces lasers peut être constitué d'un guide d'onde double métal, qui est aussi un parfait guides d'onde pour les modes THz, permettant ainsi un meilleur couplage et extraction de l'efficacité. La motivation de ce travail est d'explorer ces configurations nouvelles et prometteuses. L'étudiant effectuera un travail expérimental, mais aussi mettre en œuvre les modèles théoriques nécessaires à la compréhension et l'optimisation des dispositifs. La fabrication des hétérostructures reposera sur les installations moléculaires d'épitaxie de faisceau du laboratoire. le traitement de l'appareil sera effectué dans la salle blanche, en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons ou lithographie par laser, ainsi que tous les outils de microfabrication classiques. Une première partie du travail sera consacrée à la conception et la fabrication de lasers monomode, en utilisant une rétroaction répartie intégré (DFB). Ce sera étendu à la fabrication de lasers double fréquence DFB, grâce à la conception d'une région active large de gain et la mise en œuvre des doubles grilles d'époque. Ensuite, la non-linéarité nécessaire à la DFG sera étudiée et optimisée, ainsi que les aspects de la mise en correspondance de guidage et de phase de l'onde térahertz.

  • Titre traduit

    Difference frequency generation in InAs/AlSb far infrared quantum cascade lasers


  • Résumé

    Quantum cascade lasers (QCL) are a new type of semiconductor injection laser, made of quantum semiconductor heterostructures that exploit radiative transitions between electron subbands [1]. They cover today most of the infrared spectrum, from 2.6 to 24 μm and from 5 to 1 THz (60 to 300 μm) [2]. However, room temperature operation of QCLs is only achieved in the 3 to 20 μm wavelength range. A challenge for the research in this field is still the fabrication of a semiconductor source emitting in the THz range at room temperature, in order to enable applications in the fields of imaging, spectroscopy or ultra-high speed wireless communications. A solution could be the use of nonlinear effects in QCLs, namely intracavity difference frequency generation (DFG) in a dual frequency laser, as demonstrated experimentally a few years ago [3]. These results have been obtained in InP-based QCLs emitting around the wavelength of 9 μm, with recent progresses [4]. A major difficulty is nevertheless to increase the conversion efficiency and the extraction of the THz radiation. This could be done by shifting the pump laser towards longer wavelength and by getting a better overlap and phase matching between the pump and THz modes. The goal of the proposed PhD thesis is to develop a THz source based on difference frequency generation in QCLs emitting at longer wavelength (15 to 20 μm) and based on the antimonide system InAs/AlSb. These materials have been developed and used for the fabrication of QCLs at IES for more than 10 years [5]. They recently allowed demonstrating the longest-wavelength QCL operation at room temperature [6]. One interesting point for their use as a DFG source is that the optical cavity of these lasers can be made of a metal- metal waveguide, which is also a perfect waveguides for THz modes, thus allowing better coupling and extraction efficiencies. The motivation for this work is to explore these promising novel configurations. The student will carry out an experimental work, but also implement the theoretical models required for the understanding and optimizations of the devices. The fabrication of the heterostructures will rely on the molecular beam epitaxy facilities of the laboratory. Device processing will be made in the clean room, using electron-beam lithography or laser lithography as well as all the classical microfabrication tools. A first part of the work will be dedicated to the design and fabrication of single frequency lasers, using an integrated distributed feedback (DFB) grating. This will be extended to the fabrication of dual frequency DFB lasers, thanks to the design of a broad gain active region and the implementation of double period gratings. Then the nonlinearity required for the DFG will be studied and optimized, as well as the aspects of the guiding and phase matching of the THz wave.