PHOTONIQUE POUR LES LASERS À CASCADE QUANTIQUE ...

tel-00740111, version 1 - 9 Oct 2012
CHAPITRE 3 . LES GUIDES D’ONDE
3.2 Le guide d’onde diélectrique
Un guide d’onde est un empilement de différents matériaux de constantes
diélectriques différentes qui sert à “guider” une onde électromagnétique
dans une direction particulière. Pour cela il faut que le mode optique soit
confiné latéralement. La manière la plus simple d’y arriver est d’utiliser
l’équivalent de la réflection totale, pour des structures de taille comparable
à la longueur d’onde, en utilisant par exemple un matériau 1 entouré de
deux autres matériaux 2 et 3 vérifiant n1 > n2 et n1 > n3. Nous l’appellerons
“guide d’onde diélectrique”. Un autre méthode pour confiner le mode
est d’utiliser des métaux pour confiner le mode, que nous nommerons
“guide plasmonique” ou “guide métal-métal” selon la géométrie.
Dans un guide diélectrique, le mode est confiné dans la région d’indice
optique le plus grand. Le guide le plus simple est constitué d’un coeur d’indice
élevé et d’une gaine d’indice plus faible. C’est le guide utilisé dans les
fibres optiques. Il est aussi le guide de prédilection des lasers à cascade
fonctionnant dans le moyen infrarouge, la gaine étant naturellement réalisé
grâce au substrat d’InP d’indice plus faible ou par des couches légèrement
dopée. La figure 3.2 représente le profil du mode ainsi que le confinement
pour ce guide d’onde infrarouge moyen transposé dans le THz.
On remarque d’après la figure 3.2 que pour obtenir un confinement qui
ne soit pas trop faible, la région active doit avoir une épaisseur d’au moins
≈20 µm. Sachant que la vitesse de croissance par épitaxie de la région
active des échantillons est typiquement de l’ordre de 0.5–1 µm par heure
[59], le temps de croissance de la région active serait de l’ordre de un
à deux jours. C’est beaucoup mais ce n’est pas impossible. Cependant
autour de la région active il faut aussi epitaxier les gaines diélectriques,
de l’ordre d’une vingtaine de micron. L’épitaxie d’une telle structure n’est
alors pas envisageable.
3.3 Le guide plasmonique
3.3.1 Modes d’interfaces
Dans un système composé de seulement deux matériaux différents, il
peut exister un mode guidé. Ce mode sera alors maximum à l’interface
des deux matériaux puisque les champs vont alors décroître exponentiellement
des deux cotés de l’interface.
Nous allons maintenant définir les conditions nécessaires pour qu’un
tel mode puisse exister. Le matériau 1, de constante diélectrique ɛ1 sera
défini pour les z positifs, et le matériau 2 pour les z négatifs. La direction
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