Optique non-linéaire résonante et contrôle de la phase des lasers à cascade quantique

par Pierrick Cavalié

Thèse de doctorat en Science des Matériaux

Sous la direction de Jérôme Tignon.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .

mots clés

• Lasers à cascade quantique
• Optique non linéaire
• Spectroscopie terahertz

Résumé

Les lasers à cascade quantique (LCQ) sont des nanostructures de semiconducteurs se basant sur des transitions intersousbandes entre états confinés de la bande de conduction. Ils ont permis de combler un manque de sources puissantes et compactes d’abord dans le moyen infrarouge (MIR) puis dans le térahertz (THz). Cette thèse présente deux études en rapport avec ces lasers. La première partie présente les propriétés d’optique non-linéaire résonantes des LCQ. Il s’agit de démontrer la génération de différence de fréquences entre un faisceau proche infrarouge (IR) et le champ THz du LCQ. L’excitation proche IR est résonante avec les transitions interbandes des puits quantiques qui composent le LCQ. Ceci exalte la susceptibilité non-linéaire du milieu. Le champ THz intense dans la cavité combiné à cette excitation résonante permet d’obtenir de bonnes efficacités (jusqu’à 0. 13%) et de générer des harmoniques supérieures jusqu’à l’ordre 3. Ces interactions non-linéaires ont également été étudiées dans les LCQ MIR ce qui a permis d’augmenter la température de fonctionnement jusqu’à 275 K. Une deuxième partie traite du contrôle de la phase du champ THz d'un LCQ au moyen d'un montage de spectroscopie THz dans le domaine temporel. L'originalité résulte dans l'usage d'un LCQ ayant un guide double métal. Ces guides permettent d'avoir de meilleures performances en température mais ont des dimensions largement sous longueur d'onde. Ces dimensions compliquent le couplage d'une onde THz externe nécessaire à l'amorçage du champ THz du LCQ sur une phase fixe. Des antennes en forme de V sont déposées à la surface du LCQ pour faire une adaptation d’impédance et favoriser ainsi le couplage.

Titre traduit

Resonant and non-linear control of the phase of the optical quantum cascade lasers

Résumé

Quantum cascade lasers (QCL) are semiconductor nanostructures based on inter-subband transitions between confined states in the conduction band. They filled the lack of compact and powerful sources in the mid-infrared (MIR) and in the terahertz (THz) range. This thesis presents two studies on these lasers. First part investigates resonant optical nonlinearities of QCL. We show difference frequency generation between a near-infrared (NIR) beam and the QCL THz field, i. E. At ENIR-EQCL. NIR excitation is resonant with interband transitions in the QCL active region, enhancing the nonlinear susceptibility of the matter. High intracavity THz field combined with the resonant NIR beam results in good efficiencies for the frequency mixing (0. 13%) and in high order generation up to the third order (EIR-3EQCL). For the first time this nonlinear interaction is investigated within a MIR QCL. This allows demonstrating the nonlinear interaction up to 275 K, showing that the interaction is temperature independent. The second part deals with phase control of QCL emission via THz time domain spectroscopy. The novelty is the use of a Metal-Metal (MM) waveguide. These guides lead to higher temperature operations but have sub-wavelength dimensions (~10µm compared to 100µm for the emission). These dimensions make harder the coupling of a THz seed which is required to initiate the THz QCL field. “V” shape antennas are processed above QCL facets to match the impedance between free-space and guided modes. Thus, coupling efficiency and power extraction are enhanced. We demonstrate that we can phase-lock the emission of a MM QCL by THz injection seeding and resolve its amplitude and its phase.