Resonant optical nonlinearities of quantum cascade lasers
Pierrick Cavalié (LPA)

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Salle 236
29 rue d’Ulm

Résumé:

Les lasers à cascade quantique (LCQ) sont des nanostructures semiconductrices se basant sur des transitions intrabandes entre états confinés de la bande de conduction. Ils ont permis de combler un manque de sources puissantes et compactes dans le moyen infrarouge (MIR) et le térahertz (THz). Cette thèse présente deux études sur ces lasers. La première partie montre les propriétés d’optique non-linéaire résonante des LCQ. Il s’agit de démontrer la génération de différence de fréquences (EIR-ELCQ) entre un faisceau proche infrarouge (IR) et le champ THz du LCQ. L’excitation IR est résonante avec les transitions interbandes des puits quantiques composant le LCQ. Ceci exalte la susceptibilité non-linéaire du milieu. Le champ THz intense intracavité du LCQ combiné à l’excitation résonante permet d’obtenir de bonnes efficacités (0.13 %) et de générer des harmoniques supérieures jusqu’à l’ordre 3 (EIR-3ELCQ). L’interaction non-linéaire est étudiée aussi dans les LCQ MIR, démontrant ainsi qu’elle est indépendante de la température jusqu’à 275 K. Une deuxième partie traite du contrôle de la phase d’émission d’un LCQ au moyen d’un montage de spectroscopie THz dans le domaine temporel. L’originalité résulte dans l’usage d’un LCQ ayant un guide double métal. Ce guide permet d’avoir de meilleures performances en température mais ses dimensions sont largement sous longueur d’onde, compliquant le couplage d’une onde THz externe nécessaire à l’amorçage du LCQ sur une phase fixe. Des antennes en forme de V sont réalisées sur un LCQ pour favoriser le couplage et l’extraction d’une impulsion dans la cavité. Nous pouvons ainsi verrouiller en phase l’émission d’un LCQ double métal et résoudre son champ complexe.

Abstract:

Quantum cascade lasers (QCL) are semiconductor nanostructures based on intersubband transitions between confined states in the conduction band of a quantum well system. These devices have permitted compact and powerful sources in the mid-infrared (MIR) and in the terahertz (THz) range. This thesis presents two studies on these lasers. The first part investigates resonant optical nonlinearities of QCLs. We demonstrate intracavity difference frequency generation (DFG) between a near-infrared (NIR) beam and the QCL THz field, i.e. at ENIR-EQCL. The NIR excitation is resonant with interband transitions of the QCL, enhancing the nonlinear susceptibility. The high intracavity THz field combined with the resonant NIR beam results in good efficiencies for DFG (0.12 %) and in high order sideband generation up to the 3rd order (EIR-3EQCL). Further, this nonlinear interaction is investigated within a MIR QCL, allowing the demonstration of the DFG up to 275 K, showing that the interaction is temperature independent. The second part investigates the phase control of QCL emission via THz time domain spectroscopy. The novelty is the use of metal-metal (MM) waveguides. QCLs based on MM guides show higher temperature operations but have sub-wavelength dimensions. These dimensions mean that the coupling of a THz seed, which is required to initiate the QCL field, is difficult. “V” shape antennas were realized on the QCL to match the impedance between the free-space and guided modes. These permit the coupling and extraction efficiency to be enhanced. Using this concept we show that the MM QCL emission can be phase-locked by THz injection seeding and hence resolve its amplitude and its phase.

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