les lasers À cascade quantique COMPRENDRE contre-réaction distribuée, pour un fonctionnement mono-mode. En revanche, la conception et les propriétés de la région active sont singulières et propres à ce dispositif unipolaire, et seront présentées par la suite. Nous discuterons en premier lieu de comment l’ ingénierie quantique des structures de bande permet d’ obtenir du gain. Dans un deuxième temps, nous dériverons les équations de bilan, qui permettent de retrouver les caractéristiques du laser. Nous présenterons ensuite le rôle du schéma en cascade.
INVERSION DE POPULATION ET INGÉNIERIE DES STRUCTURES DE BANDE Un système à trois niveaux, comme celui montré en figure 1( a), présente du gain optique si la population du niveau 3 est supérieure à la population du niveau 2: c’ est la condition d’ inversion de population. Il se pose donc la question de comment obtenir l’ inversion de population dans un système de puits quantiques couplés [ 4 ].
Considérons un électron dans un état excité d’ un puits quantique de semiconducteur( encart 1). Son temps de vie est très court, de l’ ordre de la picoseconde, ce qui rend très difficile l’ obtention de l’ inversion de population. Cette durée de vie est principalement limitée par l’ interaction des électrons avec les phonons optiques, i. e. les quanta de vibration du réseau cristallin [ 5 ]. La solution trouvée par l’ équipe de Federico Capasso, à l’ origine de l’ invention du QCL, a été de réaliser l’ inversion de population en rendant le temps de vie de l’ état 2, τ 2, encore plus court que le temps de relaxation de 3 à 2, τ 32. Pour cela on introduit un niveau 1, tel que la différence d’ énergie entre 2 et 1 est proche de l’ énergie d’ un phonon optique. Ceci permet de satisfaire la condition τ 2 < τ 32 et donc d’ assurer une dépopulation rapide du niveau 2 pour réaliser la condition d’ inversion de population. On voit donc que l’ inversion de population est construite à travers l’ ingénierie des temps de vie, grâce à une ingénierie du profil de potentiel électronique.
PUITS QUANTIQUES DE SEMICONDUCTEUR ET TEMPS DE VIE DE L’ ÉTAT EXCITÉ
Dans un puits quantique de semiconducteur, les électrons sont confinés dans la direction de croissance du puits( z), ce qui donne lieu à des états discrets, E n. Comme les électrons sont libres dans le plan des couches, à chaque état
confiné est associée une « sousbande », d’ énergie E n( k ||) = E n + ħ2 k 2 ||
—, avec m * la 2m *
masse effective des électrons en bande de conduction et k || le vecteur d’ onde dans le plan des couches semiconductrices. Le temps de vie des électrons excités est limité par les processus non-radiatifs, principalement par l’ émission de phonons optiques. Le temps de vie associé est de l’ ordre de la picoseconde, et peut atteindre la centaine de femtosecondes pour une relaxation résonante, i. e. quand les deux sousbandes sont séparées par l’ énergie d’ un phonon longitudinal optique( environ 30 meV).
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