Julien Madéo, Sukhdeep Dhillon et Jérôme Tignon

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