PHOTONIQUE POUR LES LASERS À CASCADE QUANTIQUE ...

tel-00740111, version 1 - 9 Oct 2012
Introduction
La plage de fréquence du térahertz (THz) est une partie du spectre
électromagnétique située entre l’électronique (microondes et radiofréquences),
et la photonique (infrarouge et lumière visible). Durant les 20 dernières années
le THz s’est fortement développé.
La principale difficulté dans le THz concerne le manque de sources
compactes, puissantes et directives. Ce travail de thèse s’inscrit dans la
recherche de techniques permettant d’atteindre ces objectifs. Pour cela
nous avons utilisé une source très prometteuse dans ce domaine : les
lasers à cascade quantique dans le THz. Ces deniers ont été développés
pour la première fois en 2002 [1], huit ans après l’invention des lasers à
cascade dans l’infrarouge moyen [2].
Les lasers à cascade quantique dans le THz ont néanmoins deux
points faibles : ils ne fonctionnent qu’à des températures cryogéniques.
Les températures maximales sont obtenues avec un guide double métallique
fréquemment utilisé pour les microondes, or l’utilisation de ce guide
engendre une émission laser fortement divergente.
Mon travail de thèse s’inscrit dans l’amélioration des performances de
ces dispositifs, en essayant de comprendre les mécanismes limitant la
température maximale de fonctionnement, et surtout, l’amélioration des
caractéristiques optiques du laser. Pour cela nous avons utilisé des structures
photoniques.
L’étude des structures photoniques pour les lasers à cascade quantique
dans le THz n’est pas uniquement destinée à améliorer leurs performances,
mais vise aussi à comprendre quels sont les mécanismes nécessaires
pour contrôler le mode optique. Ces études cherchent dans un
premier temps à transposer des structures photoniques utilisées pour de
plus courtes longueurs d’onde et sous pompage optique, vers des dispositifs
dans le THz et sous injection électrique. Les particularités des dispositifs
THz vont nous amener à étudier de nouvelles structures photoniques,
qui éventuellement pourront être transposées à de plus courtes longueur
d’onde.
Ce manuscrit de thèse se divise en huit chapitres. Le premier chapitre
concerne la description des radiations THz. Cette gamme spectrale est
peu connue, il est important d’expliquer en quoi elle est intéressante. Le
deuxième et le troisième chapitres sont des descriptions théoriques géné-
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