PHOTONIQUE POUR LES LASERS À CASCADE QUANTIQUE ...

tel-00740111, version 1 - 9 Oct 2012
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 semiconducteurs
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 métalmétal
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.
Abstract
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.