Département de physique

Etude de l'amplification optique et de sa saturation dans les puits quantiques

Butty, Jérôme ; Staehli, Jean-Louis (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1993 ; no 1201.

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    Summary
    We study the optical properties of strongly photo-excited GaAs/AlxGa1-xAs Quantum Wells in the one-dimensional optical amplifier geometry. One part of our work deals with gain measurements using the "variable stripe length method". We are proposing two new fitting procedures to adjust gain spectra from the amplified luminescence (AL) measured as a function of stripe length L. These procedures allow us to reduce the number of fitting parameters, and to verify whether a quasi thermal equilibrium among the carriers of the electron-hole plasma is established. Our samples, optically pumped using intensities up to 100 kw/cm2, show optical gain coefficients (g) between 10 and 30 cm-1 per well, at our low bath temperatures ranging between 2 K and 140 K. The losses of AL, caused by crystal imperfections, are difficult to determine. Another part of our work deals with saturation effects of optical amplification. For this, we measured the spatial dependence of the amplified luminous density travelling in the direction of the stripe and of the spontaneous emission in perpendicular direction to it. These profiles are symmetrical with respect to the center of the stripe, as there are two counter-propagating waves in our guide. We solved numerically the one-dimensional amplifier equation, assuming stationary conditions and a quasi thermal distribution of the carriers, and accounting for the optical losses in the wave guiding structure. The solutions have two regimes: the first one, which we call linear or unsatured, is applicable in the case of short stripe lengths L and/or low gain coefficients for which the carrier density is constant in direction of the amplifier; the second one describes saturation effects. For g·L > 5, the AL intensity decreases at certain photon energies. This saturation of the optical amplification appears initially on the high energy part of AL spectra. We find that these saturation effects are due to: (1) carrier depopulation through stimulated recombination of the electron-hole pairs, and (2) the losses of light. The experimental profiles agree semi-quantitatively with our numerical calculations. Observing the spontaneous emission spectra, we find no evidence of non-thermal carrier distribution. The light losses prevent the AL from reaching very strong intensities and thus the stimulated recombination rate remains always lower than the intra subband thermalization rate.
    Résumé
    Nous étudions les propriétés optiques des puits quantiques de GaAs/AlxGa1-xAs fortement photo-excités dans la géométrie de l'amplificateur optique unidimensionnel. Une partie de notre travail porte sur la mesure des spectres de gain par la technique dite de "variation de la longueur d'excitation". Nous proposons deux nouvelles méthodes pour l'ajustement de spectres de gain à partir de la luminescence amplifiée (LA) mesurée en fonction de la longueur L de l'amplificateur. Elles nous permettent de réduire le nombre de paramètres à ajuster, et/ou de vérifier la présence d'un quasi-équilibre thermique des porteurs dans le plasma électron-trou. Nos échantillons, pompés optiquement par des intensités allant jusqu'à 100 kW/cm2, présentent des coefficients de gain optique (g) compris entre 10 et 30 cm-1 par puits, pour nos températures de bain basses (de 2 à 140 K). Les pertes de LA par diffusion sur des défauts cristallins sont difficiles à déterminer. Une autre partie du travail porte sur les effets de la saturation de l'amplification optique. Pour ceci, nous avons mesuré la dépendance spatiale de la densité lumineuse amplifiée qui se propage en direction de l'amplificateur et de l'émission spontanée dans la direction perpendiculaire. Ces profils sont symétriques par rapport au centre de la raie puisqu'il y a deux ondes qui se propagent en direction opposée. Nous avons résolu numériquement l'équation de l'amplificateur optique unidimensionnel, en supposant un état stationnaire et une distribution quasi-thermique des porteurs, et en tenant compte des pertes dans la structure en guide d'onde. Ces solutions présentent deux domaines: le premier, que nous appellerons linéaire ou non-saturé, pour les L courts et/ou les coefficients de gain petits, quand la densité de porteurs et le spectre de gain ne varient pas le long de l'amplificateur; le deuxième, quand les effets de saturation se manifestent. Pour g·L > 5 environ, l'intensité de la LA décroît à certaines énergies des photons. Cette saturation de l'amplification optique se produit en premier sur la partie à haute énergie des spectres de LA. Nous trouvons que la saturation est provoquée: (1) par le dépeuplement des porteurs à travers la recombinaison stimulée des paires électron-trou, et (2) par les pertes de lumière. Les profils expérimentaux sont en accord semi-quantitatif avec ceux que nous obtenons par nos calculs numériques. En observant les spectres spontanés, nous ne trouvons pas d'évidence d'une distribution non-thermique des électrons ou des trous. Les pertes de lumière empêchent la LA d'atteindre une intensité très forte et le taux de recombinaison stimulée demeure toujours plus faible que le taux de thermalisation intra-sousbande.