Faculté des sciences

Measurement of the linewidth enhancement factor of singlemode room temperature continuous wave quantum cascade lasers

Aellen, Thierry ; Aebi, Philipp (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2008.

L'invention des sources lasers en 1960 a conduit à un bon nombre d'applications qui ont un impact répandu dans tous les aspects de notre votre vie actuelle, citons notamment l'exemple des hôpitaux, de l'industrie ou simplement dans notre lieu de vie. Les derniers développements sont en particulier issus des compacts, très efficace et populaires lasers semiconducteurs qui sont simplement... Plus

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    Résumé
    L'invention des sources lasers en 1960 a conduit à un bon nombre d'applications qui ont un impact répandu dans tous les aspects de notre votre vie actuelle, citons notamment l'exemple des hôpitaux, de l'industrie ou simplement dans notre lieu de vie. Les derniers développements sont en particulier issus des compacts, très efficace et populaires lasers semiconducteurs qui sont simplement alimentés par un courant électrique. Les sources diodes cohérentes sont caractérisées par le fait que la matière semiconductrice qui les qui compose définie leur longueur d'onde d'émission, ou dite couleur pour la lumière visible. Pour les grandes longueurs d'onde, i.e. dans le spectre infrarouge, les cristaux semiconducteurs à base de sel de plomb constituent le matériau standard utilisé. Une autre possibilité, qui se différencie fondamentalement de celle des diodes lasers, consiste à recourir à l'ingénierie pour définir la longueur d'onde d'émission par le design de multiples puits quantiques obtenus grâce à l'alternation de couches nanométriques de deux matériaux semiconducteurs différents. Démontré en 1994, ce type de d'émetteur optique appelé laser à cascade quantique, intersousbande ou unipolaire constitue le sujet de ce travail. Ces appellations sont inhérentes au design en cascade du milieu dans lequel le gain optique unipolaire est réalisé de telle manière qu’un électron (matière) est injecté et recyclé dans une répétition priodique de plusieurs puits quantiques ou il produit autant de photons (lumière) que de répétitions dans la structure. La transition laser dans une des répétitions se produit dans la zone dite active, i.e. l'endroit où l'invesion de population se manifeste, assurée par la faible durée de vie de l'électron sur l'état final de la transition radiative. Deux des différents mécanismes de relaxation par diffusion afin de réduire le temps de vie électronique seront présentés, la relaxation par résonnance avec un phonon optique et l'effet tunnel dans un super-réseaux.
    Une corrélation entre le dopage, i.e. le nombre d'électrons présents dans le réservoir suivant la zone active d'une répétition, et les performances des lasers à cascade quantique est aussi décrits.
    Un chapitre important de l'histoire de l'information dans la société moderne repose sur le développement des télécommunications à base des technologies que sont la fibre optique et le laser semiconducteur. Un des piliers essentiels relatant du progrès de la communication lumineuse a été le premier fonctionnement d'une diode laser en mode continu à température ambiante dans le spectre du proche infrarouge démontré en 1970. Depuis lors, l'avancée des autres sources lasers semiconductrices émettant dans les différent spectres lumineux afin d'étendre cette technologie aux applications souhaitables actuellement est éminemment lié à leur opération en continu à température ambiante. Comme exemple, le développement récent d'une diode laser bleue en 1996 dédiée pour le stockage de l'information et les systèmes de traitement (disque compact audio, disque vidéo, disque optique informatique, imprimante laser, scanner à code barres laser, etc.). Cet ouvrage comporte la réalisation d'un laser à cascade quantique à contre-réaction répartie opérant à température ambiante en mode continu. Ce résultat est basé sur la fabrication spécifique de l'élément laser comprenant une région active intégrée allié au montage à puce retournée pour augmenter la dissipation de l'effet Joule suscité par le courant de pilotage. La contre-réaction de la lumière dans la cavité laser est garantie par l'addition d'un réseau proche de la zone de gain du laser qui agit comme un filtre pour une émission à fréquence unique.
    Pour un laser non stabilisé, l'émission à fréquence unique n'est pas rigoureusement une fonction delta de Dirac monochromatique. Elle est limitée par le bruit associé aux processus quantiques qui produit un élargissement spectral fondamental, établi en premier lieu par Shawlow and Townes. Ce phénomène peut être interprété comme la présence de l'émission spontanée dans les modes lasers, perturbant la phase existante dans la cavité laser par des phases aléatoires. Introduit ultérieurement par Henry, le changement de gain optique et d'indice de réfraction induit par la variation de la densité de porteur peut augmenter l'élargissement de la largeur de ligne de Shawlow-Towns. A noter que le gain optique est en relation avec l'indice de réfraction et vice-versa (relations de Kramers-Kronig). Ce facteur d'élargissement est appelé le facteur de Henry ou facteur alpha. Contrairement à la diode laser semiconductrice, le laser intersousbande possède un faible facteur de Henry et est à ce titre proche des caractéristiques d'un laser à gaz basées sur une transition atomique discrète. Le facteur alpha d'un laser à cascade quantique est représentatif de son gain spectral étroit et est essentiellement symétrique relatif à sa transition laser qui s'établit entre les sousbandes parallèles, ou quasi parallèles lorsqu'elles sont régies par la non-parabolicité. La mesure directe par détection hétérodyne du faible facteur de Henry d'un laser à cascade quantique modulé en amplitude est réalisée dans cette étude.
    Bien que l'emploi de ce laser à fréquence unique est approprié pour la communication optique dans l'air libre puisque deux fenêtres de transmission dans l'atmosphère se situent dans le moyen infrarouge, l'intérêt évident de cette source se situe dans le domaine des senseurs. Les modes fondamentaux de vibration et de translation moléculaire d'un matériau ont lieu dans la région du moyen infrarouge et semblable à une empreinte digitale peuvent être utilisés pour l'identification par l'absorption atomique précise directe par de la lumière discrète provenant d'un laser à contre réaction répartie. Il est à noter que l'apparition des lasers semiconducteurs ont suscité une révolution dans la spectroscopie, spécialement pour les techniques Raman et photo-acoustique, cette dernière étant spécifiquement utilisée pour augmenter la sensibilité de la détection direct.
    Summary
    The invention of the laser source in 1960 has led to a wide range of applications showing a widespread impact in every aspect of our today life, including for example hospital, factory or simply at home. In particular, recent developments originating from the compact, highly efficient and common semiconductor lasers that are simply supplied by an electrical current. The diode coherent light sources are characterized by the fact that their constituent semiconductor materials define their emitted wavelength, or colour for visible light. For the long-wavelength range, i.e. in the mid-infrared spectra, lead-salt semiconductor crystals are the standard material used. Another approach that differs in a fundamental way from the diode laser one, consists to engineer the emission wavelength by a multiple quantum wells design achieved through nanoscale layer alternation of two different semiconductor materials. Demonstrated in 1994, this type of optical emitter called intersubband, unipolar or quantum cascade laser is the subject of this work. The names are coming from the cascade design of the unipolar optical gain media engineered in a way so that an electron (matter) is injected and recycled in a periodic multiple quantum wells stack and produce as much photons (light) as the repeated stacks in the structure. The laser transition in one of the stacks is achieved in the called active region, i.e. where the electron population inversion occurs, ensures by the electron reduce lifetime on the lower radiative state. Two of different scattering relaxation mechanisms for electronic lifetime reduction are presented, the optical phonon resonance and the tunneling trough superlattice. A correlation between the doping, i.e. the amount of electrons in the reservoir following the active regions in a stack, and the performance of quantum cascade lasers is also exposed.
    An important chapter in the history of information in modern society consists to the development of telecommunication based on optical fibre and semiconductor laser technologies. One of the essential building blocks for the lightwave communication progress was the first continuous-wave room-temperature laser diode operation in the near-infrared spectrum demonstrated in 1970. Since then, the advance of other semiconductor laser sources with different light spectra to expand this technology for suitable nowadays applications is strongly related to their room-temperature continuous-wave operation. As for example, the recently developed blue laser diode in 1996 dedicated to the information storage and processing systems (compact audio disks, video disks, optical data disks, laser printers, laser bar code scanners, etc.). This report contains the achievement of a distributed feedback quantum cascade laser operating at room temperature in continuous-wave operation. This result is based on the specific laser device fabrication with an embedded active region associated to a flip chip mounting to increase the Joule heating dissipation induced by the driving current. The light feedback in the laser cavity is ensured by the addition of a grating close to the laser gain media that acting as a filter for a single-frequency emission.
    For a free-running laser, the single-frequency emission is not strictly a monochromatic Dirac delta function. It is limited by the noise associated to quantum processes leading to a certain fundamental spectral linewidth, first derived by Schawlow and Townes. This phenomenon can be interpreted by the presence of the spontaneous emission in the laser modes that perturbing the existing phase with random phases in the laser cavity. It was then later introduced by Henry that the optical gain and refractive index change related to the carrier density variation could increase the Shawlow-Townes linewidth. Note that the optical gain is related to the refractive index, and vice-versa (Kramers-Kronig dispersion relations). This linewidth enhancement factor is called Henry factor or alpha factor. Unlike a semiconductor diode laser, an intersubband laser shows a low Henry factor and is in that respect closer to a gas laser characteristic based on discrete atomic transitions. The quantum cascade laser alpha-factor is specific to the narrow and essentially symmetric gain spectrum associated to its lasing transition occurring between parallel subbands, or nearly parallel when restricted by the nonparabolicity. The direct measurement of the low Henry factor by heterodyning of an amplitude-modulated quantum cascade is performed in this study.
    Although the employment of this single frequency laser is suited to free space optical communication while two atmosphere transmission windows in mid-infrared exist, the interest of this source is mainly sensing oriented. The fundamental vibrational and rotational molecule modes of material occur in the mid-infrared region and similar to a fingerprint can be used as an identification by the direct precise atomic absorption of the discrete light coming trough a distributed feedback laser. Note that the appearance of semiconductor lasers made a revolution in spectroscopy, especially for Raman and photoacoustic technics, this later is especially used to increase the sensitivity of direct detection.