Limiting factors for high power and high wallplug efficiency quantum cascade lasers
Étude physique des limites en puissance des lasers à cascade quantique
Résumé
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.
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.
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