chercheurs clés:

• Prof. Thomas Südmeyer ([email protected] )
• Dr Stéphane Schilt ([email protected] )
• Kutan Gürel ([email protected] )

Les lasers à cascade quantique (quantum cascade lasers - QCL) sont des lasers inter-sous-bandes unipolaires à semi-conducteur qui émettent dans l’infrarouge moyen. Ils constituent la source laser la plus utilisée depuis une décennie pour des applications de détection de traces de gaz et spectroscopie à haute résolution dans l’infrarouge moyen grâce à leurs remarquables propriétés telles qu’une puissance d’émission élevée, un fonctionnement à température ambiance, une émission monomode et accordable en fréquence grâce à des structures à rétroaction répartie (distributed feedback – DFB).  

Dans nos activités sur les QCLs, nous sommes particulièrement intéressés aux propriétés spectrales et de bruit de ces lasers. Des sources lasers à faible bruit et à largeur de raie étroite sont importantes pour de nombreuses applications telles que la spectroscopie de précision à haute résolution ou la métrologie optique. Nous étudions le bruit de fréquence dans les QCLs afin de mieux comprendre son origine dans un premier temps, puis pour le réduire par différentes méthodes de stabilisation actives dans un deuxième temps.

Origine du bruit de fréquence dans les QCLs

Les QCLs ont le potentiel d’être une source à largeur de raie étroite, avec une largeur de raie intrinsèque de quelques centaines de hertz seulement qui résulte de leur coefficient d’élargissement de raie (coefficient de Henry) proche de zéro. Cependant, une faible largeur de raie n’est généralement pas obtenue en pratique dans des QCLs en fonctionnement libre à cause d’un surplus de bruit indésirable qui dégrade leurs propriétés spectrales.

Une contribution possible à cet excédent de bruit de fréquence vient du bruit technique induit par la source de courant qui alimente le laser. Les QCLs fonctionnent à des courants et des tensions relativement hauts (respectivement jusqu’à 1 A et 10-20 V) en comparaison des diodes lasers traditionnelles émettant dans l’infrarouge proche. Il est donc plus difficile d’atteindre un  bruit de courant faible dans ce cas par rapport aux sources de courant alimentant des diodes lasers traditionnelles.

La réalisation d’une source de courant à bas bruit est donc plus délicate que dans le cas des diodes lasers traditionnelles. Avec un coefficient de tirage typique de plusieurs centaines de MHz/mA dans les QCLs fonctionnant dans la plage spectrale de 4-5 µm, nous avons montré qu’un bruit de courant inférieur à 1 nA/Hz^1/2  est généralement requis afin que le bruit de fréquence inhérent au laser puisse être observé sans dégradation et élargissement correspondant de la largeur de raie induit par la source de courant [1]. Pour cela, nous avons développé un contrôleur "maison" pour QCLs (voir Figure 1), qui inclus une source de courant à faible bruit capable de fournir un courant jusqu’à 1 A avec un bruit <1 nA/Hz^1/2, ainsi qu’un contrôleur de température régulant la température des QCLs au millikelvin. 

Figure 1: Gauche: Influence calculée du bruit blanc de courant de la source d’alimentation sur la largeur de raie d’un laser à cascade quantique (basé sur les paramètres typiques d’un QCL à rétroaction répartie (DFB QCL) à 4.5 µm). Droite: Photo du contrôleur de QCL fait "maison" comprenant une source de courant à bas bruit et un contrôleur de température de grande stabilité.

Même avec une source de courant à si faible bruit, la largeur de raie des lasers DFB-QCL est généralement de l’ordre du mégahertz ou légèrement inférieure. La raison est la présence de bruit de fréquence induit de manière interne dans la structure du laser. Nous avons montré que ce bruit de fréquence est produit par des fluctuations électriques induites par le transport des électrons dans la structure du laser [3]. Ce bruit électrique peut être observé sur la tension mesurée aux bornes du QCL et nous avons démontré que ce bruit est fortement corrélé avec le bruit de fréquence [6] comme cela apparaît sur la Figure 2. Le bruit de fréquence est typiquement mesuré en utilisant le flanc d’une raie d’absorption moléculaire (de CO dans le cas présent) comme discriminateur de fréquence pour convertir les fluctuations de fréquence en fluctuations d’intensité qui sont détectées avec une photodiode. Mais étudier le bruit électrique est un moyen simple et puissant pour analyser les phénomènes de bruit dans les QCLs, en permettant par exemple des mesures dans des conditions qui ne sont pas accessibles par une mesure optique, comme à des courants inférieurs au courant de seuil du laser ou lorsque la longueur d’onde d’émission du laser ne correspond pas à une raie d’absorption adéquate.

En collaboration avec l’entreprise Alpes Lasers qui fabrique et commercialise des lasers à cascade quantique, nous avons étudié le bruit dans un large éventail de DFB-QCLs émettant dans la plage spectrale de 7‑8  µm, faits de différentes structures (par ex. de types "ridge" et à hétéro-structure enterrée), avec différent paramètres (longueur, largeur, etc) et fabriqués dans six processus différents, dans le but d’identifier certains paramètres qui peuvent influencer la génération du bruit dans les QCLs.  

Figure 2: Gauche: Représentation schématique du montage expérimental utilisé pour mesurer le bruit de fréquence d’un QCL en utilisant une raie d’absorption moléculaire comme convertisseur fréquence-intensité.  Droite: Corrélation observée entre les fluctuations de tension et de fréquence dans un QCL. 

 Réduction du bruit de fréquence dans les QCLs

Sur la base de nos observations montrant que le bruit de fréquence dans les QCLs provient principalement des fluctuations électriques, nous avons évalué la possibilité d’utiliser le bruit de tension mesuré aux bornes d’un QCL comme un signal d’erreur pour réduire les fluctuations de fréquence et donc réduire la largeur de raie du laser avec un boucle d’asservissement n’utilisant aucune référence optique pour mesurer directement le bruit de fréquence optiquement [6].

Le bruit de tension mesuré aux bornes du QCL a été utilisé comme signal de rétroaction pour contrôler la puissance d’un laser émettant dans l’infrarouge proche et éclairant la surface supérieure du QCL (voir Figure 3). La lumière ainsi absorbée dans la structure du QCL nous a permis d’implémenter un contrôle rapide de la température interne de la zone active du QCL indépendant du courant d’alimentation du QCL. Ce signal de rétroaction permet de réduire fortement les fluctuations de tension car la tension aux bornes du QCL dépend de la température. Dans le même temps, une réduction significative des fluctuations de la fréquence d’émission du QCL a été observée (Figure 3, courbe du bas).

Figure 3:   Gauche: Représentation schématique du montage expérimental d’une nouvelle méthode de stabilisation  utilisant le bruit de tension aux bornes d’un QCL comme signal d’erreur pour réduire le bruit de fréquence. Droite : Mesure simultanée de la tension et de la fréquence d’un QCL. Une réduction importante des fluctuations de tension est observée lorsque la boucle d’asservissement est active (t > 2 ms). Dans le même temps, le bruit de fréquence est également fortement réduit.  

  Publications principales:

1. L. Tombez, S. Schilt, J. Di Francesco, T. Führer, B. Rein, T. Walther, G. Di Domenico, D. Hofstetter, P. Thomann, Linewidth of a quantum cascade laser assessed from its frequency noise spectrum and impact of the current driver, Appl. Phys. B 109 (3), 407-414 (2012) PDF
2. L. Tombez, J. Di Francesco, S. Schilt, G. Di Domenico, J. Faist, P. Thomann, D. Hofstetter, Frequency noise of free-running 4.6 μm distributed feedback quantum cascade lasers near room temperature, Opt. Letters 36(16), 3109-3111 (2011) PDF
3. L. Tombez, S. Schilt, J. Di Francesco, P. Thomann, D. Hofstetter, Temperature dependence of the frequency noise in a mid-IR DFB quantum cascade laser from cryogenic to room temperature, Opt. Express 20 (7), 6851-6859, (2012) PDF
4. L. Tombez, F. Cappelli, S. Schilt, G. Di Domenico, S. Bartalini, D. Hofstetter, Wavelength tuning and thermal dynamics of continuous-wave mid-IR distributed feedback quantum cascade laser, Appl. Phys. Lett. 103 (3), 031111-1 - 031111-5 (2013) PDF 
5. S. Schilt, L. Tombez, G. Di Domenico, D. Hofstetter, Frequency Noise and Linewidth of Mid-infrared Continuous-Wave Quantum Cascade Lasers: An Overview, in The Wonders of Nanotechnology: Quantum and Optoelectronic Devices and Applications, M. Razeghi, L. Esaki, and K. von Klitzing, Eds., SPIE Press, Bellingham, WA, pp. 261-287 (2013). PDF
6. L. Tombez, S. Schilt, D. Hofstetter, T. Südmeyer, Active linewidth-narrowing of a mid-IR quantum cascade laser without optical reference, Opt. Lett. 38 (23), 5079-5082 (2013) PDF
    

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