PHOTONIQUE POUR LES LASERS À CASCADE QUANTIQUE ...

tel-00740111, version 1 - 9 Oct 2012
2.6 . PRINCIPE GÉNÉRAL DES LASERS À CASCADE QUANTIQUE
saumons qui remontent la structure, le nom cascade donné à ce type de
structure semble très bien choisi...
L’explication précédente décrit le principe général de fonctionnement
d’un laser à cascade quantique. Nous allons maintenant décrire de manière
plus précise tous les éléments de cette structure. Comme dans tous
les lasers, le gain optique est proportionnel à l’inversion de population qu’il
faut donc maximiser. Dans les structures BTC, la transition optique se fait
à partir du niveau lié vers l’état excité de la minibande suivante. Afin d’obtenir
l’inversion de population il faut que la durée de vie τup du niveau lié
soit plus longue que celle du niveau excité de la minibande τgr. Le processus
de collisions électrons électrons dans la minibande, assure une
relaxation rapide des électrons, qui entraîne que τup > τgr.
La position du niveau lié est aussi très importante, comme le montre
le schéma 2.5 elle correspond à une énergie légèrement supérieure à
celle de l’état fondamental de la minibande. Cet écart vise à minimiser le
temps de transport tunnel résonnant. Généralement cet écart doit être de
l’ordre de l’énergie de Fermi [48], qui dépend du dopage introduit dans le
système.
Afin d’éviter que les électrons fuient vers le “vrai” continuum (au dessus
des barrières des puits quantiques), les structures doivent présenter
un mini gap. Celui-ci est défini comme étant un domaine d’énergie ne
contenant pas de niveau électronique. La probabilité que les électrons le
traverse est alors très faible.
La figure 2.6 représente la structure bound to continuum dessinée par
Stefano Barbieri et collaborateurs [53]. La transition radiative se fait du
niveau 2 vers le niveau 1. La simulation a été faite en résolvant les équations
couplées de Schrödinger Poisson (équation 2.8). La transition entre
le niveau 2 et le niveau 1 a une énergie de 10.8 meV, et le dipôle optique
associé est de 6.43 nm. La résolution de l’équation de Schrödinger
seule donne 11.2 meV et 6.24 nm. Même si l’équation de Poisson n’engendre
que des variations faibles, la différence n’est tout de même pas
négligeable.
2.6.2 Exemple 2 : le "phonon résonant"
Les structures de type “phonon résonant” sont constituées principalement
de deux niveaux par période (cf fig 2.7). Les écarts entre les niveaux
sont égaux à l’énergie du phonon et à l’énergie de la transition optique voulue.
L’inversion de population (c’est à dire τup > τgr) est obtenue grâce à
la diffusion résonante très rapide de l’électron par un phonon LO. D’après
la figure 2.2, lorsque l’écart énergétique entre deux niveaux est proche
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