Verrouillage de mode de lasers à cascade quantique THz : contrôle de la dispersion et non-linéarités

Modelocking of THz quantum cascade lasers : dispersion control and non-linearities

• Auteur / Autrice : Valentino Pistore
• Direction : Sukhdeep S. Dhillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 28/11/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Alberto Bramati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Roy, Benoît Darquié
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Riccardo Degli Innocenti, Gaël Mouret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Spectroscopie terahertz

Lasers à cascade quantique

Mots clés libres

Laser cascade quantique terahertz

Verrouillage de mode

Spectroscopie temporelle

Impulsions ultracourtes

Phénomènes non linéaires

Verrouillage en mode harmonique

Auto-verrouillage de mode

Génération de microondes

THz quantum cascade lasers

Ultrashort pulse generation

Time domain spectroscopy

Modelocking

Résumé

Les LCQ THz sont aujourd'hui considérés comme une plate-forme prometteuse pour la génération d’impulsions THz intenses et ultracourtes. En raison de leur temps de récupération du gain rapide, le verrouillage en mode passif des LCQ THz s'est jusqu'à présent révélé difficile. Au contraire, le verrouillage de mode actif avec une modulation hyperfréquence a été appliqué avec succès. La durée du pouls a cependant été difficile à réduire malgré des années de recherche. En 2017, notre groupe a généré des impulsions THz de 4ps grâce à l'application d'une structure intégrée (un GTI) visant à réduire la dispersion chromatique. La recherche dans cette thèse commence à partir de ce point. Je présente notamment l'ingénierie de dispersion dans les LCQ THz afin d'obtenir des impulsions très courtes, même à partir de dispositifs à bande relativement étroite. Ceci est réalisé en utilisant des méthodes de modulation actives éprouvées qui peuvent ajuster l’émission de LCQ d’un régime de dispersion élevé à faible. Je montre également que les LCQ THz peuvent présenter une forte modulation d'amplitude de leur profil d'émission et qu'ils peuvent émettre spontanément des impulsions à la suite d'un mécanisme d’auto-verrouillage. En conséquence, cela indique que le temps de récupération de gain rapide n'est pas un facteur limitant pour la génération d'impulsions. Je montre également ce schéma passif dans le cadre des premières démonstrations du verrouillage en mode harmonique de LCQ THz. Enfin, un nouveau phénomène est présenté où les modes d’une LCQ THz peuvent battre ensemble pour générer une émission de micro-ondes dans l’espace libre.

THz QCLs are nowadays considered a promising platform for the generation of intense and ultrashort THz pulses. Owing to their fast gain recovery time, passive modelocking of THz QCLs has so far proved to be difficult. On the contrary, active modelocking with a microwave modulation has been successfully applied. The pulse duration, however, has been arduous to reduce despite years of research. In 2017, THz pulses as short as 4ps have been generated by our group with the application of an integrated structure (a GTI) aiming to reduce the chromatic dispersion. The research in this thesis starts from this point.In particular, I present dispersion engineering in THz QCLs in order to obtain very short pulses even from relatively narrow-band devices. This is achieved using proven active modulation methods that can tune the QCL emission from high to low dispersion regimes. I also show that THz QCLs can present a strong amplitude modulation of their emission profile and that they can spontaneously emit pulses as a result of a self-locking mechanism, contrary to the expected frequency modulated response. As a consequence, this indicates that the fast gain recovery time is not a limiting factor for the generation of pulses. I also show this passive self-locking scheme for passive pulse generation in the framework of the first demonstrations of harmonic modelocking of THz QCLs. Finally, a new phenomenon is presented where the modes of a free running THz QCL can beat together to generate free space microwave emission.