Article

1 - PUITS QUANTIQUES DE SEMI-CONDUCTEUR

2 - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES LASERS À CASCADE QUANTIQUE

3 - PERFORMANCES

4 - APPLICATIONS

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SYMBOLES ET SIGLES

Article de référence | Réf : E6470 v1

Lasers à cascade quantique

Auteur(s) : Angela VASANELLI, Carlo SIRTORI

Date de publication : 10 août 2019

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

Les lasers à cascade quantique sont des sources cohérentes qui peuvent émettre dans une bande spectrale qui s’étend de l’infrarouge moyen (quelques micromètres) jusqu’aux THz (quelques centaines de micromètres). Ils exploitent des transitions entre niveaux confinés électroniques issus du confinement spatial dans un puits de potentiel semi-conducteur. Cet article présente les principes de fonctionnement des lasers à cascade quantique, à commencer par les règles fondamentales de l’ingénierie des structures de bande, permettant de réaliser l’inversion de population. Sont ensuite discutées les propriétés de ces lasers, l’état de l’art de leurs performances et quelques applications.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

ABSTRACT

Quantum cascade lasers

Quantum cascade lasers are coherent sources emitting in a spectral range covering the mid-infrared (few µm wavelength) to the THz (few hundreds µm). They exploit electronic transitions between confined states issued from the spatial confinement in a semiconductor quantum well. This article will present the principles of operation of quantum cascade lasers, starting from the fundamental rules of bandstructure engineering, which allow achieving population inversion. The characteristics of the lasers will be then discussed, together with the state of the art of their performances and few applications of these sources.

Auteur(s)

  • Angela VASANELLI : Professeure à l’Université de Paris, Laboratoire de physique de l’École Normale Supérieure, Paris, France

  • Carlo SIRTORI : Professeur à l’École Normale Supérieure, Laboratoire de physique de l’Ecole Normale Supérieure, Paris, France

INTRODUCTION

Les lasers à cascade quantiques (QCL) sont des lasers semi-conducteurs qui émettent de l’infrarouge moyen, à partir de longueurs d’onde aux alentours de 3 μm, jusqu’aux ondes térahertz dans l’infrarouge lointain, avec des longueurs d’onde jusqu’à quelques centaines de micromètres. Leur émission couvre donc deux décades du spectre électromagnétique (en longueur d’onde entre 3 et 300 μm ou en fréquence entre 3 et 300 THz). Une caractéristique remarquable de ces lasers est que cette vaste gamme de fréquences est couverte fondamentalement par une seule filière de matériaux semi-conducteurs : AlInAs/GaInAs dont la croissance est effectuée sur substrat de phosphure d’indium (InP). En effet, pour ce concept original de laser, la longueur d’onde d’émission n’est pas liée à la bande interdite du semi-conducteur, mais déterminée par l’épaisseur et l’alternance de fines couches formant un potentiel quantique dans lequel les électrons sont injectés. De plus, ces semi-conducteurs sont déjà très utilisés par la technologie des télécommunications, qui emploie des alliages très similaires pour la réalisation de diodes lasers, de détecteurs et d’autres composants optoélectroniques. Les lasers à cascade quantique ont donc été inventés et réalisés, sans qu’un véritable développement de matériaux leur ait été associé. Ainsi, leurs performances ont pu progresser rapidement grâce aux améliorations conceptuelles du dispositif, sans devoir attendre les travaux de raffinement du matériau. Enfin, la nature des matériaux constituant le dispositif est accessoire et sert juste de support pour l’implémentation des concepts quantiques qui régissent le fonctionnement de ces lasers. Mis à part l’aspect conceptuel très important, le fait de pouvoir réaliser des lasers sur une gamme de fréquences si vaste, toujours en exploitant le même système de matériaux, simplifie énormément leur fabrication. Une fois qu’un procédé de fabrication est mis au point pour une longueur d’onde, il pourra être exploité à l’identique pour toutes les autres longueurs d’onde.

Il y a deux caractéristiques propres aux lasers à cascade quantique qui les démarquent d’une façon fondamentale des autres lasers semi-conducteurs et en général de tout émetteur de lumière conventionnel à base de semi-conducteurs. Il s’agit de l’unipolarité (un dispositif à base d’électrons uniquement) et du schéma en cascade (plusieurs photons sont émis par chaque électron qui traverse la structure). L’unipolarité provient du fait que les transitions optiques du laser à cascade quantique se produisent entre des états électroniques de la bande de conduction (sousbandes). Ces transitions sont communément désignées sous le nom de transitions intersousbandes et résultent du confinement des électrons dans de très fines couches de semi-conducteur, les puits quantiques, et n’existent pas dans les matériaux massifs. En ce sens, le laser à cascade quantique est un dispositif intrinsèquement à deux dimensions. L'autre caractéristique fondamentale des QCLs est le schéma en cascade à plusieurs étages, dans lequel les électrons sont recyclés d’une période à l'autre, contribuant chaque fois au gain et à l’émission de photons.

Les lasers à cascade quantique ont été mis en évidence pour la première fois en 1994 dans les Laboratoires Bell de la compagnie américaine de téléphone AT&T. En 2019, la plupart des brevets originaux sont désormais dans le domaine public, même si d’autres brevets ont été déposés au cours des années sur la fabrication ou l’encapsulation des QCL. Ces aspects de propriété intellectuelle, combinés avec l’essor de senseurs infrarouges pour la détection de molécules, constituent une forte motivation pour valoriser cette technologie. Il y a en 2019 une dizaine de sociétés dans le monde qui commercialisent les lasers à cascade quantique et une vingtaine, au moins, qui assemblent des systèmes, pour différentes applications, dans lesquels le laser à cascade quantique est un composant essentiel. Entre 2019 et 2030, une forte croissance de systèmes dans l’infrarouge moyen est attendue, qui entraînera par conséquent le développement d’un marché parallèle de composants, dispositifs et fibres dans ces longueurs d’onde considérées à présent comme exotiques.

Cet article présente tout d’abord les propriétés physiques sur lesquelles repose le laser à cascade quantique. La propriété d’unipolarité et le schéma en cascade, sont notamment traités. Ces caractéristiques jouent un rôle clé dans le fonctionnement du laser et dans ses performances actuelles. L’article termine en présentant un panorama des applications actuelles des QCL et des perspectives dans la technologie.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

KEYWORDS

laser   |   infrared   |   semiconductor   |   quantum wells

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6470


Cet article fait partie de l’offre

Optique Photonique

(220 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Présentation

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Optique Photonique

(220 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FAIST (J.) et al -   Quantum Cascade Laser.  -  Science, 264, p. 553 (1994).

  • (2) - ROSENCHER (E.), VINTER (B.) -   Optoélectronique.  -  Dunod.

  • (3) - SIRTORI (C.), CAPASSO (F.), FAIST (J.), SCANDOLO (S.) -   Nonparabolicity and a sum rule associated with bound-to-bound and bound-to-continuum intersubband transitions in quantum wells.  -  Phys. Rev. B, 50, p. 8663-8674 (1994).

  • (4) - BASTARD (G.) -   Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures  -  (1990).

  • (5) - HARRISON (P.) -   Quantum wells, wires and dots : theoretical and computational physics of semiconductor nanostructures.  -  John-Wiley & Sons, Ltd.

  • (6) - UNUMA (T.), YOSHITA (M.), NODA (T.), SAKAKI (H.), AKIYAMA (H.) -   Intersubband absorption linewidth in GaAs...

1 Outils logiciels

Nextnano : logiciel de simulation des caractéristiques I-V et du gain des lasers à cascade quantique https://www.nextnano.de/

HAUT DE PAGE

2 Événements

Les travaux de recherche sur les lasers à cascade quantique sont présentés régulièrement dans plusieurs conférences internationales :

Photonics West (PW) : tous les ans en février à San Francisco, avec la partie exposition où tous les producteurs QCL se retrouvent pour présenter leurs dernières innovations.

International quantum cascade lasers school and workshop (IQCLSW) : tous les deux ans (2018, 2020, etc).

Intersubband transitions in quantum wells (ITQW) : tous les deux ans (2019, 2021, etc).

International conference on infrared, millimiter and THz waves (IRMMW) : tous les ans.

Groupement De Recherche (GDR) NanoTeraMir, organisé par le CNRS : tous les ans en France.

...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 92% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Optique Photonique

(220 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS