Julien Madéo, Sukhdeep Dhillon et Jérôme Tignon

Réalisation de dispositifs térahertz et optique nonlinéaire dans les lasers à cascade quantique
Julien Madéo, Sukhdeep Dhillon et Jérôme Tignon
Laboratoire Pierre Aigrain, École Normale Supérieure, CNRS UMR 8551, UPMC Univ Paris 6,
24 rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France
Résumé
La gamme térahertz (1 THz ~ 1012 Hz) est une région du spectre électromagnétique située à l’interface entre les techniques optiques
et électroniques de génération et détection d’un rayonnement. Cette gamme est qualifiée de fossé technologique THz en raison d’un
manque de dispositifs fiables, compactes et bon marché alors que les applications potentielles qui y sont liées recouvrent de nombreux
domaines. Cette thèse est articulée autour de l’étude d’une source prometteuse : le laser à cascade quantique (LCQ). Ce dispositif est un
bon candidat pour combler ce fossé technologique, mais, ne fonctionne qu’à des températures cryogéniques. Le gain optique des LCQ a été
étudié par spectroscopie THz dans le but de mieux comprendre leur fonctionnement. Cette technique a été optimisée pour ces études en
élaborant des sources d’impulsions THz (antennes photoconductrices). Enfin, les propriétés non-linéaires des LCQ THz ont été étudiées
dans le but de réaliser un convertisseur optique de fréquences s’appuyant sur des non-linéarités géantes et résonantes dans la structure. Ce
travail a conduit à la conversion d’ondes THz sur une porteuse optique infrarouge avec des rendements records.
Principaux résultats obtenus
Mesure du gain d’un laser à cascade quantique double
fréquence par spectroscopie THz dans le domaine temporel
Le laser à cascade
quantique: principe
Mesure de l’amplification de
composantes du spectre
d’impulsions THz
Montage expérimental
3
ZnTe
200µm
200
2
1
laser fs
THz
800nm, 80fs
0.0
• Système compact: LCQ = source THz + milieu
non-linéaire + guide d’onde
0.5
• Efficacité de conversion record : 10 %
0.5
-2.0
-1.5
-1.0
Balance de
photodiodes
Transmis
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Retard (ps)
ct
A
e
Zon
LCQ
Impulsion
THz
• L’énergie des transtiions dépend seulement de
l’épaisseur des couches (ingénierie de structure de
bande)
~ 1ps
• Laser unipolaire – injection d’électrons
Antenne
photoconductrice
Ligne à
retard
Optimisation de sources d’impulsions
THz: les antennes photoconductrices
interdigitées
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
24
26
28
30
32
• Mesure du gain par spectroscopie THz: accès au gain spectral d’un LCQ en
dessous et au-delà du seuil laser.
Action laser
8
-
9
+
E
8
-1
Gain (cm )
500 µm
ETHz
Représentation partielle d’une antenne interdigitée
• Electrodes métalliques polarisées sur un substrat GaAs
• Photoexcitation de l’espace entre électrodes accordée
avec la bande interdite du matériau par des impulsions ultrabrèves d’un laser femtoseconde Titane:Saphir
5
4
2
3
2
1.0
1.5
2.0
2.5
0
3.0
20
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Schéma du principe
Pompe IR sans LCQ
Bande de
conduction
Etats
confinés
1.516
1.520
1.524
1.528
ħωQCL
Energie (eV)
10
0
2.0
2.5
3.0
3.5
Fréquence (THz)
En collaboration avec le Cavendish Laboratory de l’Université de
Cambridge, J. R. Freeman et al., Applied Physics Letters, 96, 5
(2010)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Raie générée
Niveau excitonique
ou d’impureté
ħωNIR
ħωNIR – ħωQCL
Pompe IR avec LCQ
1.516
1.520
1.524
1.528
Etat de trou
Bande de valence
Energie (eV)
En collaboration avec le laboratoire MPQ (Paris 7), Brevet déposé
n°1003880, publication dans Nature Photonics en préparation
Perspectives
1.6
Fréquence THz centrale
du spectre
Amplitude normalisée
4
Courant (A)
0.5
2 µm
5 µm
10 µm
20 µm
Simulations numériques
1.2
6
0.5
2 µm
5 µm
10 µm
20 µm
1.4
7
1
• Generation d’un rayonnement THz par accélération entre
les électrodes des charges photogénérées
1.0
6
Après action laser
Gain (cm-1)
2.67 THz
2.88 THz
600 nm
Puissance optique (u.a.)
10
En dessous du seuil
Spectres
Intensité (a.u.)
• Amélioration des performances d’un LCQ double fréquence et mise en évidence de
l’action laser simultanée pour les 2 fréquences.
+
34
Retard (ps)
800 nm, 80 fs
-
Principe de l’expérience
2.0
ive
Cascade: répétition de périodes
 1 electron = plusieurs photons
e-
• Interaction non-linéaire triplement résonante
sans accord de phase
1.0
Champ électrique THz (u.a.)
hn
/4
• Conversion d’une onde THz sur une porteuse
optique infrarouge
Intensité (a.u.)
e-
PW
LCQ
Energie
Avec champ électrique
Champ électrique THz (u.a.)
Détection électro-optique
EO-C
Energie
Sans champ électrique
CB
Conversion tout optique
de fréquences avec un LCQ
Etude des LCQ par spectroscopie THz
Propriétés non-linéaires des LCQ
1.0
0.8
0.6
• Etudes du gain de LCQ de différents types (par dépopulation
par phonons-LO) dans le but de comprendre la limitation de
fonctionnement en température
• Développement de la technique vers les technologies du
moyen infrarouge (LCQ à température ambiante et
longueur d’onde télécom)
• Décalage du spectre d’émission vers les hautes
fréquences quand l’espace entre électrodes diminue
• Etude de la dynamique du gain: formation du gain, saturation
du gain
• Elaboration de LCQ optimisant l’intéraction non-linéaire
• Ajustement d’un seul paramètre géométrique lors de la
fabrication
• Contrôle de la phase de LCQ pour application comme source
pour la spectroscopie THz
0.0
0.0
0.5
0
5
10
15
20
Espace entre électrodes (µm)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Fréquence (THz)
J. Madéo et al., Electronics Letters, 46(9), 611 (2010)
Collaborations:
Projets
soutenus par:
• Etude du processus inverse: génération THz par mélange
de 2 ondes infrarouge