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