Laser Cascade Quantique

Resonant Second-Order Nonlinear Optical Processes in Quantum Cascade Lasers Renée Charrière Rémi Soulard Djibril Diallo

31/01/07

Introduction 1) Fonctionnement d’un laser à cascade quantique 2) Effets non linéaires résonants du second ordre 3) Résultats expérimentaux

QCL

9,5 μm

2ω1

4,7 μm

ω1 SL

QCL

ω1

ω1 + ω2 ω2

2ω2 ω2

4,1 μm 3,6 μm 7,1 μm

1) Fonctionnement d’un laser à cascade quantique

Laser inter-bande

Laser inter-sous-bande

Emission dans l’IR

Laser à cascade quantique

Emission multi-photonique

- Accordable : 3 à 15 μm (épaisseur des puits)

- Un seul e-

L’électron est injecté dans la zone active par effet Stark longitudinal

e Application d’un champ électrique : régime de fuite par effet tunnel

il y a alors inversion de population : L’électron peut contribuer à l’effet laser

Guidage de l’électron dans une structure à multi-puits quantiques couplés : injection de l’électron dans la zone active

Effets non linéaires résonnants du second ordre • même principe que pour le laser à cascade quantique :

transitions inter sous-bandes

• dans notre laser les effets non linéaires ont lieu principalement dans la SL et le QCL à 7,1 µm

Lieu des effets non linéaires

λ1 = 7,1µm

SL λ2 = 9,5µm

2ω1 ω1+ω2 2ω2

Effets non linéaires résonnants du second ordre • Transitions mises en jeu dans la SL

ω1

1 1

2

ω1+ω2

ω2

3

3

• la susceptibilité non linéaire du second ordre est non nulle grâce à la dissymétrie des puits Génération de la somme de fréquences

Effets non linéaires résonnants du second ordre • Transitions mises en jeu dans le QCL à 7,1 µm

Génération de la somme de fréquences Transition laser • le laser à cascades nécessite d’appliquer aux bornes de la structure un champ électrique élevé • le biais induit par effet Stark par ce champ sur les bandes permet d’avoir une susceptibilité du second ordre non nulle

Effets non linéaires résonnants du second ordre • Intérêt d’avoir des transitions résonnantes expression simplifiée de la susceptibilité du second ordre pour de la SHG

termes divergents à résonance • Mais ce n’est pas suffisant pour avoir une génération efficace de nouvelles fréquences • l’accord de phase • recouvrement du mode fondamental avec les harmoniques • recouvrement des faisceaux avec les porteurs permettant les effets non linéaires

Effets non linéaires résonnants du second ordre • Exemple de réalisation d’accord de phase avec superposition des modes fondamentaux et harmoniques

quasi égalité des vitesses de groupe Et par ailleurs bon recouvrement spatial entre la pompe (TM00), l’harmonique (TM02) et la zone active… Génération de second harmonique

Structure de l’echantillon InGaAs 0.5 µm AlInAs 0.8 µm AlInAs 2.8 µm InGaAs 0.2 µm QC laser à 9.6 µm, 0.95µm Superlattice, 0.22µm QC laser à 7.1 µm, 0.75µm InGaAs buffer, 0.5µm

InP Substrat, 200µm

Condition pour une génération de second harmonique efficace

ω1

SL

 Pompage efficace

 Accord de phase

ω2 Region active

 La distribution spatiale des modes se aa chevauche entre elles ainsi qu’avec aa la région active

Somme des fréquences

Faible dispersion du guide d’onde dans l’infrarouge moyen

Indices effectif des modes sont proches

µ1 = 3.259 µ2= 3.299 µ3 = 3.354

Δk=k3-k2-k1 = 600 cm-1

Х(2) = 0.8 µm / V (1pm / V dans le KTP)

Résultats

« Le fond se lèvent lentement »

Emission spontanée

Résultats

Le courant augmente à travers la structure

N3 augmente

Conclusion