controle optique externe dans les lasers a cascades quantique pour

CONTROLE OPTIQUE EXTERNE DANS LES LASERS A
CASCADES QUANTIQUE POUR APPLICATIONS A LA
SPECTROSCOPIE DE GAZ ET DE POLLUANTS
Lieu de la thèse : Institut Mines-Télécom, 46 rue Barrault, 75013 Paris
Frédéric grillot :  +33 145 817 064,  [email protected]
Financement demandé : DGA
I. Contexte
Le domaine du moyen infrarouge (MIR), associé à la fenêtre de transparence de
l’atmosphère (pas d’absorption par les molécules d’eau ou de C02) comprise entre 3-µm et
5-µm, est aujourd’hui fortement sollicité pour un grand nombre d’applications. En effet, outre
les communications optiques directes que ce domaine permet d’établir, le MIR présente
également de nombreux champs d’applications [1] en analyse de gaz (contrôle de la
pollution atmosphérique, suivi de procédés industriels), en médecine (aide au diagnostic,
chirurgie reconstructrice) [2], ainsi que dans le domaine militaire (radars laser, contremesure) [3]. Beaucoup de ces applications reposent sur la spectroscopie des molécules
gazeuses qui se caractérise par l’existence de pics d’absorption discrets associés à des
longueurs d’onde précises. Ce phénomène est utilisé pour détecter, identifier et mesurer des
traces de gaz polluants comme le monoxyde d’azote, le méthane, le dioxyde de soufre ou
certains acides. La finesse des raies d’émission du laser permet alors de sonder les pics
d’absorption spécifiques de ces gaz et d’obtenir ainsi tout à la fois la sélectivité recherchée,
et la très grande sensibilité de détection. L’objectif de la thèse vise à comprendre les
mécanismes physiques régulant la raie de luminescence des lasers à cascade quantique
(LCQ) et à proposer des solutions innovantes et non-explorées pour la réalisation de
dispositifs à très faible bruit et à grande pureté spectrale.
II. Objectifs
Le LCQ est une diode laser semi-conductrice pouvant émettre de l’infrarouge moyen à
l’infrarouge lointain. Bien que le principe d’émission par cascade quantique ait été
initialement proposé par Kazarinov et Sursis en 1971, la réalisation pratique d’une telle
structure fut réellement mise œuvre pour la première fois par J. Faist et ses collaborateurs
aux Laboratoires Bell en 1994 [4]. Contrairement aux diodes lasers « conventionnelles »,
pour lesquelles la radiation électromagnétique provient de la recombinaison d’une paire
électron-trou à travers l’énergie de bande interdite (transition inter-bandes), les LCQ se
comportent comme des structures unipolaires pour lesquelles l’émission laser est obtenue
par transition inter-sous-bande d’une structure à confinement quantique (puits quantique)
couplée à une multitude d’hétéro-structures (lesquelles permettent un « recyclage» efficient
des électrons). Ainsi, un électron de haute énergie de la bande de conduction tombe dans le
puits quantique sur la sous-bande supérieure, puis relaxe vers la sous-bande inférieure, en
émettant un photon d’énergie équivalente à l’énergie entre ces deux sous-bandes. Les
possibilités offertes par l’ingénierie quantique permettent au LCQ d’émettre dans des
gammes spectrales allant de 2-µm jusqu’à plus de 100-µm. Les performances actuelles des
LCQ révèlent une large plage de fonctionnement allant de 3,5-µm à 13-µm à température
ambiante (les longueurs d’onde supérieures demandant encore des refroidissements
cryogéniques).
L’utilisation d’un réflecteur de type DFB (Distributed Feedback Laser) ou d’une cavité externe
permet une réduction de la largeur spectrale de ces dispositifs vers des valeurs sub-MHz.
Dans ces deux architectures, on peut en sus accorder la longueur d’onde soit par variation
de la température dans les DFB (qqs cm-1), soit par le biais d’un réseau de diffraction dans
une cavité externe (plusieurs dizaines de cm-1) [5] [6]. On obtient ainsi une source laser
assez fine et accordable sur les transitions d’absorption dans les gaz. Un axe original
d’amélioration des propriétés spectrales repose sur l’injection directe d’un faisceau externe
(maître) dans la cavité optique du laser (esclave). Cette méthode communément appelée
injection optique (Injection-Locking) a déjà été utilisée avec brio pour réduire
significativement les bruits de phase et d’intensité ainsi que la largeur de raie dans les
structures semi-conductrices inter-bandes [7]. L’objectif de la thèse consistera en l’étude de
la physique des LCQ injectés optiquement et ce en vue de tirer profit des effets bénéfiques
du contrôle externe pour purifier l’ensemble des propriétés électro-optiques (réduction du
courant de seuil, augmentation du rendement, réduction du bruit, finesse de la largeur de
raie, manipulation du facteur de couplage phase-amplitude (facteur-α) [8], …). Le premier
axe reposera sur le déploiement de modèles numériques fondés sur l’utilisation d’équations
différentielles couplées. La prise en compte de la structure fine (matériau, cascade
quantique) et du faisceau externe (injection optique) dans les équations d’évolution
permettra de dégager des règles de sélection afin d’optimiser les propriétés statiques et
dynamiques. Les paramètres remarquables contrôlant la largeur de raie et la qualité du
faisceau (facteur-α, paramètre M) seront étudiés. La deuxième partie de la thèse consistera
en une validation expérimentale. Les problématiques liées au dimensionnement du dispositif
d’injection (configuration maître/esclave M/S) ainsi que les conditions liées au contrôle
externe (déviation de fréquence M/S, puissance de l’injection) devront être rigoureusement
pris en considération. L‘objectif final sera de démontrer que l’application d’un faisceau maître
peut conduire à une réduction substantielle (<<500 kHz) de la largeur de raie, des bruits de
phase et d’intensité voire à un contrôle efficient du facteur de couplage phase-amplitude du
laser (α=0). A cette fin, la mise en cavité externe du LCQ injecté optiquement (contrôle
externe dual) aboutira à la génération d’une raie d’électroluminescence hyperfine et
accordable. Enfin, l’étude de l’injection optique dans les structures à cascade quantiques
permettra également d’exploiter certains régimes stables (variétés dynamiques P1 ou P2)
pour la réalisation d’oscillateurs photoniques à très faible bruit.
Mots-Clés : physique des semi-conducteurs, photonique quantique, lasers unipolaires,
dynamique non-linéaire.
[1] M. Koch, “Terahertz Communications : A 2020 Vision,” in Terahertz Frequency Detection
and Identification of Materials and Objects, R. E. Miles, X. –C. Zhang, H. Eisele, A. Krotkus,
Springer, New York, (2007).
[2] P. H. Siegel, “Terahertz technology in biology and medicine,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 52, pp. 2438–2447, (2004).
[3] C. Baker, T. Lo, W. R. Tribe, B. E. Cole, M. R. Hogbin, and M. C. Kemp, “Detection of
concealed explosives at a distance using terahertz technology,” in Proceedings of IEEE on
T-Ray Imaging, Sensing, and Retection, Institute of Electrical and Electronics Engineers,
New York, pp. 1559–1565, (2007).
[4] J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson and A. Y. Cho, "Quantum
Cascade Laser", Science, Vol. 264, pp. 553–556, (1994).
[5] G. Wysocki, R. Curl, F. Tittel, R. Maulini, J. Bulliard, and J. Faist, “Widely tunable modehop free external cavity quantum cascade laser for high resolution spectroscopic
applications,” Appl. Phys. B, Vol. 81, pp. 769–777, (2005)
[6] G. Wysocki, R. Lewicki, R. Curl, F. Tittel, L. Diehl, F. Capasso, M. Troccoli, G. Hofler, D.
Bour, S. Corzine, R. Maulini, M. Giovannini, and J. Faist, “Widely tunable mode-hop free
external cavity quantum cascade lasers for high resolution spectroscopy and chemical
sensing,” Appl. Phys. B, Vol. 92, pp. 305–311 (2008).
[7] D. M. Kane and K. A. Shore, Unlocking Dynamical Diversity, Wiley, (2005)
[8] M. Osinski and J. Buus, “Linewidth broadening factor in semiconductor lasers : An overview,” IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 23, pp. 9-29, (2008)