Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Opto-électronique quantique“

Cette thèse concerne l'étude théorique et expérimentale des limitations de la puissance de sortie des lasers à cascade quantique (LCQ). Nous y exposons une modélisation globale de leurs propriétés électro-optiques. Le fonctionnement du laser est décrit en incluant la structure électronique, les mécanismes de diffusion responsables des transitions non radiatives des électrons et le couplage électron- photon de la cavité. Ce modèle nous a permis de reproduire avec succès l'ensemble des caractéristiques (courant et puissance optique en fonction de la tension appliquée) d'un LCQ sur un large domaine de température de fonctionnement. Dans un premier temps, ce modèle a été utilisé pour le calcul de la température électronique dans les LCQ. Il en ressort que la diffusion par des phonons-LO est le seul mécanisme avec lequel le gaz d'électrons peut transférer son énergie vers le réseau. Les mécanismes élastiques de diffusion sont des sources d'énergie pour le gaz d'électrons. Deux paramètres physiques permettent de décrire complètement le comportement de la température électronique dans le composant : la résistance thermique électronique de l'hétérostructure et le coefficient de couplage courant température électronique. Ensuite, l'étude du couplage des électrons avec les photons de la cavité montre que ce couplage peut modifier notablement la distribution électronique sur les niveaux énergétiques. Le gain de la zone active du laser diminue avec la densité de photons. Cet effet appelé saturation de gain joue un rôle important sur les performances des LCQ. La minimisation de cet effet peut augmenter la puissance maximale de sortie du laser d'un facteur deux. Cette étude nous a permis de proposer de nouveaux dessins de zone active ayant des performances améliorées. La fabrication de certaines de ces structures a permis de valider l'approche que nous avons suivie pour améliorer les performances de ce type de laser.

Cette thèse concerne l'étude théorique et expérimentale des limitations de la puissance de sortie des lasers à cascade quantique (LCQ). Nous y exposons une modélisation globale de leurs propriétés électro-optiques. Le fonctionnement du laser est décrit en incluant la structure électronique, les mécanismes de diffusion responsables des transitions non radiatives des électrons et le couplage électron- photon de la cavité. Ce modèle nous a permis de reproduire avec succès l'ensemble des caractéristiques (courant et puissance optique en fonction de la tension appliquée) d'un LCQ sur un large domaine de température de fonctionnement. Dans un premier temps, ce modèle a été utilisé pour le calcul de la température électronique dans les LCQ. Il en ressort que la diffusion par des phonons-LO est le seul mécanisme avec lequel le gaz d'électrons peut transférer son énergie vers le réseau. Les mécanismes élastiques de diffusion sont des sources d'énergie pour le gaz d'électrons. Deux paramètres physiques permettent de décrire complètement le comportement de la température électronique dans le composant : la résistance thermique électronique de l'hétérostructure et le coefficient de couplage courant température électronique. Ensuite, l'étude du couplage des électrons avec les photons de la cavité montre que ce couplage peut modifier notablement la distribution électronique sur les niveaux énergétiques. Le gain de la zone active du laser diminue avec la densité de photons. Cet effet appelé saturation de gain joue un rôle important sur les performances des LCQ. La minimisation de cet effet peut augmenter la puissance maximale de sortie du laser d'un facteur deux. Cette étude nous a permis de proposer de nouveaux dessins de zone active ayant des performances améliorées. La fabrication de certaines de ces structures a permis de valider l'approche que nous avons suivie pour améliorer les performances de ce type de laser
This thesis work is devoted to the theoretical and experimental study of the limiting factors of quantum cascade lasers (QCL) output power. It exposes a global modeling of their electro-optical properties. Laser operation is described in particular by including the electronic structure, non-radiative electron scattering mechanisms and the electron-photon coupling along the laser cavity. This model allowed us to successfully reproduce all the characteristics (current and optical power as a function of the applied voltage) of a QCL over the whole range of operating temperatures. This model was used to calculate the electron temperature in QCL. It showed that scattering by LO phonons is the only mechanism by which the gas of electron can transfer energy towards the lattice. Elastic scattering mechanisms are sources of energy for the electron gas. Two physical parameters allow to fully describe the electron temperature in the device: the electronic thermal resistance of the heterostructure and the temperature current coupling factor. Taking into account the electron-photon coupling shows that it may influence the electronic distribution over energy levels. Therefore, the gain of the active zone of the laser is reduced in the presence of this coupling. This effect, called gain saturation, plays an important role on the output performances of QCL. Minimizing this effect can increase the maximum power output of the laser by a factor of two. This study allowed us to propose new design rules of active regions to improve the QCL output performances. The experimental characterization of some of these structures has validated the approach we have followed towards performances improvement

Ce travail est consacré à l'étude des propriétés des polaritons, particules mi-lumière mi-matière, en microcavité semi-conductrice. Leur caractère bosonique autorise l'accès à des régimes de cohérence macroscopique tels la condensation de Bose-Einstein et la superfl uidité que nous avons démontrée expérimentalement. Nous avons également développé une technique permettant de modifier optiquement l'environnement polaritonique par création de défauts arti ficiels, ce qui facilite l'obtention de comportements particuliers du fluide polaritonique comme la turbulence. Les fortes interactions dépendantes du spin entre ces particules, alliées à des vitesses de propagation très élevées du fait de leur composante photonique, nous ont permis de réaliser un interrupteur performant contrôlé optiquement, codé en polarisation et en intensité. Nous avons également réussi à manipuler la distribution spatiale en spin d'un faisceau de polaritons, et notamment à confi ner des états de spin pur sur des zones de quelques microns. Le phénomène de bistabilité présent dans le système nous a amené à reconsidérer le signe de la constante d'interaction entre polaritons de spin opposés. En fin, en régime d'oscillation paramétrique par mélange à quatre ondes, nous avons poursuivi l'étude de génération de photons jumeaux grâce à des mesures de corrélations et des analyses en bruit de la distribution modale transverse, dans diff érents types de cavités planaires puis dans des micropiliers (0D).

Les nanocristaux colloïdaux semi-conducteurs sont des matériaux synthétisés en suspension et dont les propriétés optiques sont ajustables par leur taille. Une fois sous forme de film, il est possible d’effectuer du transport de charges et ainsi obtenir des dispositifs opto-électroniques. Nous avons choisi deux types de nanocristaux présentant des propriétés optiques originales, mais dont le transport est mal connu. Nous l’étudions d’abord dans des films de nanocristaux bidimensionnels, les nanoplaquettes de CdSe, qui sont une réalisation colloïdale de puits quantiques. Nous montrons qu’il est possible d’accroître le gain de photoconduction en passivant les pièges électroniques afin d’augmenter le temps de vie des porteurs photogénérés. Nous tirons également parti de l’extension latérale de ces objets en les déposant sur des électrodes nanométriques de la taille des particules. Cela permet de s’affranchir du transport par sauts tunnel tout en surmontant l’interaction coulombienne entre l’électron et le trou photogénérés. De manière alternative, nous utilisons un canal de graphène comme couche de transport. Combiné aux propriétés optiques bien définies des nanoplaquettes, nous associons ainsi le meilleur des deux mondes. Enfin, nous étudions le transport dans des films de nanocristaux de HgSe. Ces objets étant naturellement dopés après synthèse, ils présentent une transition intrabande dans l’infrarouge moyen. Nous montrons que le dopage peut s’expliquer par la réduction des nanocristaux par l’eau, et qu’il est contrôlable en jouant sur les dipôles de surface induits par les ligands. Cela nous permet finalement d’élaborer un photodétecteur sur un substrat flexible
Colloidal semiconducting nanocrystals are solution-grown inorganic particles whose optical properties are size-dependent. By depositing a film of these objects, charge transport become possible and one can obtain optoelectronic devices. We have chosen two types of nanocrystals with original optical properties, but whose transport is poorly understood and requires studying. First, we study it in films of two-dimensional materials, the CdSe nanoplatelets. These are colloidal realization of quantum wells. We show that it is possible to amplify the photoconductive gain by passivating electronic traps, thus increasing the photogenerated carriers lifetime. We also take advantage of the lateral extension of these objects by depositing them on nanoscale electrodes of the size of the particles. This eliminates the hopping transport while overcoming the coulombic interaction between the photogenerated electron and hole. Alternatively, we use a graphene channel as a transport layer. Together with the well defined optical properties of nanoplatelets, we associate the best of both materials. Finally, we study the transport in films of HgSe nanocrystals. Being naturally doped after synthesis, these objects exhibit an intraband transition in the mid-infrared range. We show that the doping can be explained by the water reduction of nanocrystals, and is controllable by varying the ligandsinduced surface dipoles. This allows us eventually to develop a photodetector on a flexible substrate

Les nanocristaux colloïdaux semi-conducteurs sont des matériaux synthétisés en suspension et dont les propriétés optiques sont ajustables par leur taille. Une fois sous forme de film, il est possible d’effectuer du transport de charges et ainsi obtenir des dispositifs opto-électroniques. Nous avons choisi deux types de nanocristaux présentant des propriétés optiques originales, mais dont le transport est mal connu. Nous l’étudions d’abord dans des films de nanocristaux bidimensionnels, les nanoplaquettes de CdSe, qui sont une réalisation colloïdale de puits quantiques. Nous montrons qu’il est possible d’accroître le gain de photoconduction en passivant les pièges électroniques afin d’augmenter le temps de vie des porteurs photogénérés. Nous tirons également parti de l’extension latérale de ces objets en les déposant sur des électrodes nanométriques de la taille des particules. Cela permet de s’affranchir du transport par sauts tunnel tout en surmontant l’interaction coulombienne entre l’électron et le trou photogénérés. De manière alternative, nous utilisons un canal de graphène comme couche de transport. Combiné aux propriétés optiques bien définies des nanoplaquettes, nous associons ainsi le meilleur des deux mondes. Enfin, nous étudions le transport dans des films de nanocristaux de HgSe. Ces objets étant naturellement dopés après synthèse, ils présentent une transition intrabande dans l’infrarouge moyen. Nous montrons que le dopage peut s’expliquer par la réduction des nanocristaux par l’eau, et qu’il est contrôlable en jouant sur les dipôles de surface induits par les ligands. Cela nous permet finalement d’élaborer un photodétecteur sur un substrat flexible
Colloidal semiconducting nanocrystals are solution-grown inorganic particles whose optical properties are size-dependent. By depositing a film of these objects, charge transport become possible and one can obtain optoelectronic devices. We have chosen two types of nanocrystals with original optical properties, but whose transport is poorly understood and requires studying. First, we study it in films of two-dimensional materials, the CdSe nanoplatelets. These are colloidal realization of quantum wells. We show that it is possible to amplify the photoconductive gain by passivating electronic traps, thus increasing the photogenerated carriers lifetime. We also take advantage of the lateral extension of these objects by depositing them on nanoscale electrodes of the size of the particles. This eliminates the hopping transport while overcoming the coulombic interaction between the photogenerated electron and hole. Alternatively, we use a graphene channel as a transport layer. Together with the well defined optical properties of nanoplatelets, we associate the best of both materials. Finally, we study the transport in films of HgSe nanocrystals. Being naturally doped after synthesis, these objects exhibit an intraband transition in the mid-infrared range. We show that the doping can be explained by the water reduction of nanocrystals, and is controllable by varying the ligandsinduced surface dipoles. This allows us eventually to develop a photodetector on a flexible substrate

Les peignes de fréquence optique (OFC) sont des sources de lumière cohérente qui émettent un large spectre de modes discrets parfaitement espacés, chacun avec une fréquence absolue mesurable avec la précision d'une horloge atomique.Les OFC dans l'infrarouge moyen (MIR 3-12 μm) sont récemment devenus d'un grand intérêt pour la spectroscopie moléculaire par la présence de forte absorption des modes de vibration et de rotation moléculaires dans la région des "empreintes digitales" spectroscopiques. Néanmoins, le fonctionnement de l'OFC dans la région cruciale de l'infrarouge moyen (MWIR 3-6 μm) reste nettement sous-développé par rapport aux autres parties du MIR.Dans ce travail, nous présentons une étude expérimentale approfondie d'une nouvelle génération de laser à cascade interbande (ICL) et de leur potentiel pour les OFC dans MWIR. La thèse apporte la preuve du régime OFC à la fois par spectroscopie des battements (BN) à haute fréquence, et par la nouvelle technique de reconstruction temporelle de la dynamique ultrarapide de ces lasers, celle-ci permettant de "visualiser" le contrôle du type de fonctionnement de l'OFC dans les ICL. En particulier, a été effectuer la caractérisation opto-électrique d'un ensemble d'ICL avec une gamme de géométries, dans le but d'étudier les ICL à faible dispersion de retard de groupe (GDD) à des longueurs d'onde plus longues que celles étudiées auparavant: un ICL fonctionnant à 3.8 μm avec une architecture en 2-sections, des ICL fonctionnant à 4.1 μm, et une autre génération d'ICL fonctionnant à une longueur d'onde de 4.2 μm conçue avec un gain spectral large. La formation du régime OFC et le GDD sont liées et importantes pour comprendre les mécanismes fondamentaux de la formation de l'OFC. Les ICL ont été étudiés à l'aide de la spectroscopie BN optique et électrique. Les verrouillages de mode passif (PML) (ou fonctionnement libre) et actif (AML) ont été démontrés. Pour les ICL à 2-sections, où l'ICL est divisé en une partie longue et une partie courte pour une seule cavité, l'effet exact de la petite section sur le BN a été explicité: permets de (a) contrôler très finement le GDD intracavité, (b) introduire des pertes et montrant que l'on converge vers un comportement PML. Ce travail étend l'étude au cas des ICL fonctionnant à des longueurs d'onde plus longues dans une cavité à section unique et où le GDD est censé être inférieur.Pour un ICL à 4.1 μm, il est montré qu'un BN optique puissant peut être verrouillé par injection radiofréquence (RF) à la fréquence d'un aller-retour de l'ICL, premières étapes de AML. Ce verrouillage par injection a été réalisé à l'aide d'une architecture laser à 1-section avec une très faible GDD montrant ainsi que l'adaptation du guide d'onde ICL au fonctionnement RF n'est pas une exigence fondamentale.Dans sa dernière partie, la thèse montre la mise en œuvre de la technique "Shifted Wave Interference Fourier Transform Spectroscopy" (SWIFTS), utilisée selon deux configurations différentes, pour reconstruire le profil d'intensité temporel du laser à des échelles de temps ultrarapides. Cela démontre la nature des OFC générés dans ces ICL. L'ICL fonctionne en régime de modulation de fréquence (FM) lorsqu'il est en fonctionnement libre et transite vers un régime de modulation d'amplitude (AM) lorsqu'il est en régime AML en par injection RF. L'étude montre également que les ICL peuvent générer des impulsions courtes de ∼6.7 ps en fonctionnement libre, malgré leur caractère FM, et met en évidence le contrôle de la largeur d'impulsion et de l'intensité maximale via l'injection RF. Cela permet de compresser d'un facteur de 2.3 les impulsions libres pour obtenir des impulsions inférieures à 3 ps.Ces travaux constituent une étape importante dans la réalisation et le contrôle des OFC dans la région MWIR. Les perspectives sont d'élargir la bande passante spectrale des ICL et de générer des impulsions ultracourtes de haute puissance dans le MWIR et au-delà
Optical frequency combs (OFCs) are coherent light sources that emit a broad spectrum of discrete, perfectly spaced modes, each with an absolute frequency measurable with the precision of an atomic clock.OFCs in the mid-infrared (MIR 3-12 μm) have recently become of great interest to molecular spectroscopy by the presence of strong absorption of molecular vibration and rotation modes in the spectroscopic "fingerprint" region. Nevertheless, the operation of the OFC in the crucial mid-infrared region (MWIR 3-6 μm) remains significantly underdeveloped compared to other parts of the MIR.In this work, we present an in-depth experimental study of a new generation of interband cascade laser (ICL) and their potential for OFCs in MWIR. The thesis provides proof of the OFC regime both by high-frequency beatnote spectroscopy (BN), and by the new technique of temporal reconstruction of the ultrafast dynamics of these lasers, this making it possible to "visualize" the control of the type of operation of the OFC in ICL. In particular, was carried out the optoelectrical characterization of a set of ICLs with a range of geometries, with the aim of studying low group delay dispersion (GDD) ICLs at longer wavelengths than those previously studied: an ICL operating at 3.8 μm with a 2-section architecture, ICLs operating at 4.1 μm, and another generation of ICL operating at a wavelength of 4.2 μm designed with a wide spectral gain. OFC regime formation and GDD are linked and important for understanding the fundamental mechanisms of OFC formation. ICLs were studied using optical and electrical BN spectroscopy. Passive mode locking (PML) (or free running) and active mode locking (AML) were demonstrated. For 2-section ICLs, where the ICL is divided into a long part and a short part for a single cavity, the exact effect of the small section on the BN has been explained: allows to (a) control very finely the intracavity GDD, (b) introducing losses and showing that we converge towards PML behavior.This work then feeds into the case of ICLs operating at longer wavelengths in a single section cavity and where the GDD is expected to be less. In the particular case of the ICLs operating at 4.1 μm, we demonstrate a strong optical BN, which can be injection locked by radio frequency (RF) injection at the round trip frequency of the ICL, showing the first-steps of active modelocking. This injection locking was achieved using a simple single-section laser architecture with very low waveguide dispersion, and showing that adapting the ICL waveguide for RF operation is not a fundamental requirement. In the final part of the thesis, we show the implementation of the "Shifted Wave Interference Fourier Transform Spectroscopy" (SWIFTS) technique, used in two different configurations, to reconstruct the laser's temporal intensity profile at ultrafast timescales. This permits to demonstrate the nature of OFC generated in these ICLs. Indeed, we show that the ICL operates in the frequency modulation (FM) regime when free-running and transits towards an amplitude modulation (AM) regime when actively modelocked. Interestingly, we also show that ICLs can generate short pulses of ~6.7 ps in free-running operation, despite FM operation, and highlight the control of the pulse width and peak intensity via RF injection. This permits to compress the free-running pulses by a factor of 2.3 to obtain sub-3 ps pulses.This work constitutes an important step in the creation and control of OFCs in the MWIR region. The prospects are to broaden the spectral bandwidth of ICLs and generate high-power ultrashort pulses in the MWIR and beyond