PHOTONIQUE POUR LES LASERS À CASCADE QUANTIQUE ...

tel-00740111, version 1 - 9 Oct 2012
Chapitre 4
Étude de la structure "3 puits quantiques"
4.1 Introduction
Le but de ce chapitre est de comprendre quantitativement les mécanismes
qui limitent la température maximale de fonctionnement (Tmax) des
lasers à cascade quantique dans le THz. Cette étude est nécessaire pour
permettre une augmentation future de la Tmax.
Pour cela, nous allons étudier la structure “3 puits quantiques” qui a
été dessiné par H. Luo et collaborateurs [54], sa fréquence laser étant de
3.1 THz. Actuellement c’est une version modifiée de cette structure qui
fonctionne à plus haute température (Tmax =186 K, [29]).
La structure consiste en trois puits quantiques dans le système GaAs
- Al0.15Ga0.85 (les puits sont en GaAs). De ces trois puits, l’épaisseur du
plus large est choisie afin que l’écart énergétique entre les deux premiers
niveaux (niveaux 1 et 3 dans la figure 4.1) soit égal à l’énergie du phonon
optique dans le GaAs (ELO = ωLO = 36 meV). Ce qui correspond à un
puits d’environ 16.5 nm de large. L’émission résonante de phonons LO
étant un processus très rapide (cf paragraphe 2.4.1), le rôle de ces deux
niveaux est la dépopulation rapide du niveau fondamental de la transition
optique, afin d’obtenir l’inversion de population (l’inversion de population a
lieu si τ2 < τ4, ou τi représente le temps de vie du niveau i).
Les deux autres puits sont conçus pour que leurs niveaux fondamentaux
aient la même énergie. Ils vont alors être dégénérés, le splitting entre
ces deux niveaux va être déterminé par l’épaisseur de la barrière quantique
les séparant. C’est entre ces deux niveaux dégénérés que va avoir
lieu la transition optique.
Les niveaux électroniques sont aussi conçus afin qu’il y ait deux autres
résonances : le niveau fondamental de la transition mettant en jeu le phonon
va être couplé par transport tunnel au niveau excité de la transition
optique, et le niveau fondamental de la transition optique étant couplé avec
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