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Analysis and improvement of the spectral properties in mid-infrared semiconductor quantum cascade lasers
Les lasers à cascade quantique (QCL) sont des lasers à semiconducteur basés sur des transitions inter-sous-bandes. Au contraire des diodes lasers traditionnelles, la longueur d'onde d'émission de ce type de laser n'est pas définie par la bande interdite (bandgap) du matériau semiconducteur, mais par l'écart d'énergie entre les niveaux discrets de plusieurs puits quantiques, ce qui permet la réalisation de sources laser compactes émettant dans l'infrarouge moyen (mid-IR) et dans l'infrarouge lointain (far-IR). Le moyen infrarouge comporte les bandes fondamentales de vibrations d'un grand nombre d'espèces moléculaires telles que le dioxyde de carbone (CO2) ou le méthane (CH4), et permet la détection d'espèces chimiques avec grande précision. Grâce à l'utilisation de techniques de fabrication standards et bien connues des lasers à semiconducteur utilisés pour les télécommunications optiques dans l'infrarouge proche, le laser à cascade quantique est un dispositif extrêmement compact et productible en masse, et constitue par conséquence un excellent candidat pour la réalisation de capteurs de gaz portables et extrêmement sensibles utilisant des techniques de spectroscopie par absorption dans le moyen infrarouge.
Dans cette thèse, les propriétés spectrales des lasers à cascade quantique à base d'InGaAs/InAlAs émettant dans l'infrarouge moyen et utilisant un réseau de Bragg distribué pour garantir une émission mono-mode ont été étudiées, avec pour but d'en évaluer et d'en améliorer la pureté spectrale. Les sources de lumière cohérentes à largeur de raie étroite et faible bruit de fréquence sont en effet d'une grande importance pour le développement de nouveau systèmes de mesure et d'instruments de haute précision dans la gamme spectrale du moyen infrarouge. Dans un premier temps, la dynamique de l'ajustement de la fréquence optique et des propriétés thermiques des lasers à cascade quantique, qui est essentielle à la compréhension du mécanisme de formation des instabilités de fréquence, a été étudiée et est présentée. Dans un deuxième temps, l'impact des conditions d'opération et de divers paramètres des lasers à cascade quantique sur leur bruit de fréquence a été évalué. L'impact du type de fabrication de la région active des lasers a notamment été étudié. Pour ce faire, une alimentation à faible bruit de courant a dû être développée afin de fournir un courant d'injection aussi stable que possible. Le bruit électrique dans les lasers à cascade quantique a également été étudié, et nous montrons un lien particulièrement intéressant entre les instabilités de fréquence du laser et les fluctuations de la puissance électrique dissipée dans ce dernier. Ces résultats ont permis la démonstration d'une nouvelle approche particulièrement simple visant à évaluer la pureté spectrale des lasers à cascade quantique à partir uniquement de mesures électriques. Finalement, une nouvelle méthode innovante de réduction active du bruit de fréquence et de diminution de la largeur de raie sans avoir recours à aucune référence de fréquence optique a été développée dans le cadre de cette thèse et a permis d'obtenir une réduction de 90% de la densité spectrale de puissance du bruit de fréquence., Quantum Cascade Lasers (QCLs) are semiconductor lasers based on intersubband transitions in semiconductor heterojunctions. Unlike conventional laser diodes, the emission wavelength of QCLs is not defined by the energy gap between the conduction and valance bands of the semiconductor material, but by the energy spacing between the discrete states of quantum wells, which enables the realization of compact semiconductor lasers in the mid-infrared and far-infrared spectral regions. The mid-IR spectral region contains the fundamental vibration bands of many molecular species, such as carbon dioxide (CO2) and methane (CH4), and enables high precision analysis of chemical species. Thanks to the use of well-known semiconductor fabrication techniques widely developed for optical telecommunication applications in the near-IR, QCLs are compact and suitable for mass-production, and therefore constitute a very interesting candidate for the development of portable and highly sensitive and selective trace-gas sensors by absorption spectroscopy in the mid-infrared.
In this thesis, the spectral properties of InGaAs/InAlAs distributed-feedback (DFB) QCLs emitting in the mid-IR spectral region were studied, with the aim of assessing and improving the spectral purity of these devices. Low frequency-noise and narrow-linewidth coherent light sources emitting in the mid-IR spectral region are indeed of prime interest for the future development of high-resolution spectroscopy systems. First of all, this thesis presents the frequency-tuning and thermal dynamics in DFB-QCLs, which are important to understand the underlying mechanisms of frequency noise generation. A simple thermal model is used to explain the observed thermal dynamics. In a second phase, the frequency-noise properties of different QCLs were studied upon operating conditions and devices parameters. The effect of the processing of the lasers active region, namely in ridge waveguide or buried-heterostructure was in particular investigated. The design of a low-noise power supply to provide a stable injection current as well as the impact on the spectral properties of QCLs is also presented. Then, the noise properties at the electrical level in the semiconductor laser chips were investigated. A particularly interesting outcome of the experiments is a clear link between instabilities of the emission frequency and electrical power fluctuations due to the electronic transport in the laser chip. The results enabled the demonstration of a novel and extremely simple method for assessing the spectral properties of QCLs from electrical measurements only. Finally, a novel and innovative active method for frequency-noise reduction and linewidth narrowing of QCLs without using any optical frequency reference was developed and yielded a 90% reduction of the frequency-noise power spectral density.
Frequency noise of free-running 4.6 um distributed feedback quantum cascade lasers near room temperature
The frequency noise properties of commercial distributed feedback quantum cascade lasers emitting in the 4.6 um range and operated in cw mode near room temperature (277K) are presented. The measured frequency noise power spectral density reveals a flicker noise dropping down to the very low level of <100 Hz2/Hz at 10 MHz Fourier frequency and is globally a factor of 100 lower than data recently reported for a similar laser operated at cryogenic temperature. This makes our laser a good candidate for the realization of a mid-IR ultranarrow linewidth reference.