Faculté des sciences

Quantum cascade lasers at terahertz frequencies

Ajili, Lassaad ; Faist, Jérôme (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2007 ; 1941.

The thesis which I have pleasure to present you is the fruit of the research work during four years in the laboratory of mesoscopic physic located at the institute of physics of Neuchâtel. The extraordinary progress realized at the end of the seventy years, in the control of the growth, atomic layer by atomic layer, of semiconductor heterostructures have developed a true quantum engineering of... More

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    Résumé
    La thèse que j’ai le plaisir de vous présenter est le fruit du travail de recherche pendant 4 ans dans le laboratoire de physique mésoscopique situé à l’institut de physique de Neuchâtel. Les extraordinaires progrès réalisés dès la fin des années soixante-dix dans la maîıtrise de la croissance, couche atomique par couche atomique, d’hétérostructures semiconductrices ont développé une véritable ingénierie quantique des composants. Une nouvelle génération de dispositifs appelé laser à cascade quantique a été développée mettant à profit ces effets quantiques pour concevoir des dispositifs laser innovents. Contrairement aux diodes lasers (Lasers semi-conducteurs inter-bandes), ces nouveaux lasers n’impliquent qu’un seul type de porteurs de charge, les électrons (d’ou l’appellation unipolaire), et l’ emission peut être accordée dans tout le domaine moyen et lointain infrarouge simplement en changeant l’épaisseur ou la composition des puits quantiques. Les lasers à cascade quantique semblent être aujourd’hui une des voies les plus prometteuses pour réaliser des sources cohérantes à l’état solide émettant dans le domaine infrarouge i.e., dans la plage fréquentielle s’´etendant entre 300 GHz et 30 THz. Cependant, actuellement l’infrarouge lointain reste difficilement accessible et c’est pour cette raison qu’une intense activité de recherche se concentre sur les LCQ rayonnant dans cette région spectrale. L’infrarouge lointain est particulièrement intéressant, car de nombreux phénomènes physiques ont des fréquences caractéristiques dans cette région spectrale. L’objectif de ce travail était la réalisation et le développement des lasers à cascades quantiqes emettant aux fréquences terahertz (infrarouge lointain). Afin d’obtenir un effet laser, il est nécessaire d’avoir un milieu amplificateur avec un gain suffisant (Phénomènes complexes, surtout au THz) et un résonateur avec de faibles pertes. Un guide d’onde simple plasmon utilisant un substrat GaAs semi-isolant a été utilisé pour obtenir des pertes de guide faibles. Avec une optimisation de procesing, ce concept a permis de réduire notablement les pertes (1.2 cm−1) et d’accomplir le premier laser à CQ fonctionnant en r´egime continue aux fr´equences terahertz (4.6 THz). Plusieurs régions actives ont été proposé et ont permis d’améliorer les performences des laser à CQ. Ceux structures ont été caractérisées expérimentalement, et ils ont accédé à des informations précieux sur le transport et les propriétés optiques des échantillons emettant dans la région terahertz. Les plus haute températures de fonctionnement sont accomplis par les structures basées sur l’extraction par emission des phonons optiques longitudinaux et un guide d’onde simple plasmon. De plus, le premier LCQ aux fréquences terahertz utilisant une lternance de couches In0.52Al0.48As-In0.53Ga0.47As/InP ont été démontré, ou le guide d’onde optique exploite une combinaison de confinement métallique et dielectrique. Plusieurs méthodes de fabrications ont été développées, y compris un laser à CQ à contre-réaction répartie emettant autour de 87 μm.
    Summary
    The thesis which I have pleasure to present you is the fruit of the research work during four years in the laboratory of mesoscopic physic located at the institute of physics of Neuchâtel. The extraordinary progress realized at the end of the seventy years, in the control of the growth, atomic layer by atomic layer, of semiconductor heterostructures have developed a true quantum engineering of the components. A new generation of devices called quantum cascade laser was developed putting at a pro¯t these quantum e®ects to design laser devices innovents. Contrary to the diode lasers (semiconductors inter-band lasers), these new lasers involving only one type of carriers, the electrons (where unipolar appellation), and the emis-sion can be tuned in the Mid and Far-infrared region simply by varying the thickness or the composition of the quantum wells. Today , the quantum cascade lasers seem to be one of the most promising ways to realize coherent sources in a solid state, emitting in the in- frared range i.e., in the frequential band extending between 300 GHz and 30 THz. However, currently the Far-infrared remains di±cult to reach and for this reason an intense activity of research concentrates on the QCL emitting in this spectral region. The Far-infrared is particularly interesting, because many physical phenomena have a characteristic frequencies in this spectral region. The objective of this work was to achieve and to develop QCL's emetting at terahertz fre- quenties (Far-infrared). Laser action requires both an active region and a low loss resonnator in the considered spectral region. A single plasmon waveguide, where a semi-insulated GaAs substrate is used as lower cladding was designed to achieve low losses. With an optimisation of processing, this concept allowed to reduce notably the waveguide losses (1.2 cm¡1) and to achieve the ¯rst continuous wave operation of terahertz QCL's (4.6 THz). Many active region designs were proposed and allowed an increase of the performances. These structures have been experimentally characterized, which yield valuable information about the transport and optical properties of erahertz devices. The highest operating temperatures are achieved by designs based on LO-phonon scattering and single surface plasmon. Additionally, the ¯rst terahertz QCLs have been demonstrated that use In0:52Al0:48As-In0:53Ga0:47As/InP material system, where the optical waveguide exploits a combination of metallic and dielectric con¯nement. Various fabrication methods have been developed, including a distributed-feedback QCL emetting around 87 ¹m.