Les lasers à  cascade quantique (QCLs) sont des sources laser à  semi-conducteurs permettant de fortes puissances optiques dans le moyen-infrarouge. Les applications visées sont la spectroscopie à  distance et les contre-mesures optiques. Les performances des QCLs restent limitées par le transport électronique, le comportement optique et la dissipation de la charge thermique. Premièrement, cette thèse a permis une meilleure compréhension des éléments limitants les performances des QCLs. Les propriétés optiques et thermiques des matériaux qui constituent les QCLs ont été mesurées. En nous appuyant sur des simulations, nous avons montré l'impact de la géométrie du composant et de l'embase sur les performances. Deuxièmement, nous avons étudié des méthodes pour mettre en forme le faisceau afin d'augmenter la luminance du QCL. Nous avons ainsi montré que le couplage avec des fibres optiques ou l'utilisation de QCLs à  section évasée permettent de réduire la divergence du QCL. De plus, nous avons obtenu de très fortes puissances crêtes et moyennes avec des lasers larges tout en conservant un bon champ lointain. Enfin, nous avons montré qu'il est possible de mettre en forme le faisceau émis par des QCLs larges en réinjectant le signal optique. Dernièrement, nous avons proposé des nouvelles méthodes pour réaliser des réseaux de QCLs couplés monolithiquement. En plus de résultats expérimentaux sur des réseaux de QCLs uniformes, nous avons montré les limites des réseaux non-uniformes. Enfin, nous avons breveté une solution basée sur des antiguides en silicium amorphe pour coupler un grand nombre de QCLs. / Quantum cascade lasers (QCLs) are semiconductor laser sources able to produce high output power in mid-infrared range. Target applications are remote spectroscopy and optical counter-measure. Their performances are still limited by electronic transport, optical behavior and thermal load dissipation. First, this work has lead to a better comprehension of the features limiting the QCLs performances. Optical and thermal properties of the materials the QCLs are made of have been measured. By simulation, we have shown the impact of the device and submount's geometries on the performances. Second, we have studied some methods to shape the beam in order to increase the luminance of the QCL. We have then demonstrated that coupling with optic fibers, or using tapered QCLs reduces the divergence of the QCL. In addition, we have obtained very high peak and average powers with broad area (BA) QCLs, while keeping a good far-field quality. Finally, we have shown that it is possible to shape the beam emitted by BA QCLs by optical feedback. Lastly, we have proposed new methods to conceive monolithically phase-locked QCL arrays. On top of experimental results on uniform QCL arrays, we have shown the limits of non-uniform arrays. Finally, we have patented a solution based on amorphous silicon antiguides to phase-lock a large number of QCLs.

Ce travail de thèse porte sur la conception, la réalisation et l'étude physique de sources lasers de haute cohérence et de forte puissance émettant dans le proche et le moyen infrarouge. Nous nous intéressons plus particulièrement aux lasers à semiconducteur émettant par la surface en cavité externe verticale (VECSEL), l'objectif étant d'obtenir un fonctionnement laser monofréquence accordables et robustes, de forte puissance à température ambiante et en régime continu dans la gamme spectrale 2-3µm et autour de 1µm, avec des dispositifs pompés optiquement ou électriquement. Nous traitons de la conception et de la caractérisation des VECSEL, depuis l'optimisation du milieu à gain jusqu'à l'élaboration et la caractérisation de prototypes laser fonctionnels, et nous effectuons une étude approfondie des propriétés physiques de l'émission laser en terme de cohérence spatiale et temporelle. / This thesis focuses on the design, realization and physical study of high power and highly coherent laser sources emitting in the near and mid-infrared. We are particularly interested in vertical external cavity surface emitting laser (VECSEL), the aim being to obtain a robust and tunable single frequency operation with high power at room temperature in continuous wave and in the spectral range of 2-3µm and around 1µm, with optically or electrically pumped devices . We discuss the design and characterization of VECSEL, from optimization of the gain medium to the development and characterization of a functional laser prototype, and we conduct a thorough study of the physical properties of the laser emission in terms of spatial and temporal coherence.

Ce travail de thèse porte sur l'étude et la réalisation de Lasers à Emission par la Surface à Cavité Verticale pompés électriquement (EP-VCSELs) à base d'antimoniures émettant dans le moyen-infrarouge au-delà de 2 µm. Ces VCSELs proposent des caractéristiques intéressantes pour la détection de gaz tel qu'une émission monomode et une large accordabilité sans saut de mode. L'objectif de ce travail était de développer de tels composants. La première partie de ce mémoire présente les propriétés des couches qui seront empilés pour former la structure VCSEL. La seconde partie traite des différentes conditions pour obtenir une source laser monomode. La troisième partie présente les procédés de fabrication qui ont étés mis en place. Notamment de la sous-gravure sélective de la Jonction Tunnel (JT), qui est une technique de confinement originale dans le système GaSb. Celle-ci permet de réduire le diamètre de la JT jusqu'à 6 µm, ce qui est la condition pour obtenir une émission monomode.La dernière partie de ce manuscrit présente les caractérisations menées sur les structures monolithiques à JT sous-gravées. La sous-gravure sélective nous a ainsi permis d'obtenir le premier EP-VCSEL monolithique monomode. Ce composant fonctionne au-delà de la température ambiante et en régime continu. Avec des courants de seuils aussi bas que 1,9 mA et un fonctionnement jusqu'à 70°C. Le développement des structures monolithique à zone active (ZA) en cascade a également permis d'augmenter les puissances optiques en sortie de ces composants. Celles-ci sont passées de 300 µW @ 20°C à 950 µW pour la première structure citée classique et la structure à ZA en cascades respectivement. / This thesis deals with study and conception of GaSb-based electrically pumped Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (EP-VCSELs) emitting in the mid-infrared range above 2 µm. This VCSELs exhibits suitable characteristics for gas analysis like single-mode emission and a large current tunability without mode-hopping. The objective of this work was to develop such devices. The first part of this work is about properties of the epitaxial stack layers used to form the VCSEL structure. The second parts deal with characteristics and the confinement system to design a single mode cavity. The third part presents manufacturing process which has been set up, like Tunnel Junction (TJ) under-etching, which is an innovate approach on the GaSb system. It allows reducing TJ diameter down to 6 µm, which is a necessary point to demonstrate single-mode operation.The final part of this manuscript presents the characterisations purchased on the under-etched TJ monolithic-VCSELs. Selective under-etching of the TJ allowed the first demonstration of the first single-mode monolithic EP-VCSEL. This device emits around 2.3 µm in continuous regime above room temperature. This device exhibits threshold currents as low as 1.9 mA and operate up to 70°C. The development of bipolar cascaded VCSELs has also allowed increasing the optical power on large diameter multimode, with a maximum output power of 300 µW and 950 µW@20°C for the classic and the bipolar cascaded VCSEL respectively.

Les lasers à cascade quantique sont des sources lasers à semiconducteur compactes et capables de délivrer une forte puissance optique sur une large gamme de longueur d'onde dans l'infrarouge. Les QCLs de la filière InP sont les plus établis. Le système de matériaux InAs/AlSb est une solution alternative encore peu développée mais qui, en vertu de ses propriétés, présente des atouts incontestables pour la réalisation de lasers à cascade quantique. Le travail de cette thèse a apporté une meilleure connaissance du système InAs/AlSb et de ses possibilités pour les QCLs, à la fois sur un plan théorique, expérimental et technologique.Nous avons œuvré à l'amélioration des performances des lasers à cascade quantique sur ce système de matériaux, notamment en cherchant à augmenter la température maximum de fonctionnement dans les courtes longueurs d'onde et le lointain infrarouge. Un modèle de transport électronique a été développé. Ce modèle permet de reproduire de manière relativement précise les résultats expérimentaux. Il est un outil utile pour l'amélioration des designs de zone active et, en conséquence, des performances des lasers.La finalité de ces lasers est leur utilisation pour des applications telles que la spectroscopie moléculaire par absorption. Nous avons donc travaillé à les rendre plus adaptés aux besoins de celles-ci, à savoir que leur émission soit monomode, ce que nous avons rendu possible grâce au développement d'une technologie DFB à haut rendement et très reproductible, et qu'ils puissent fonctionner en régime continu, ce qui a été accompli, autour de 9 µm de longueur d'onde d'émission, jusqu'à une température de 255 K en s'appuyant sur un modèle prédictif basé sur une approche analytique.Afin d'atteindre le fonctionnement en régime continu en dessous de 4 µm de longueur d'onde, nous nous sommes penchés sur l'utilisation d'un substrat alternatif en GaSb, qui nous permet de réaliser des claddings conciliant un faible indice de réfaction et de faibles pertes optiques. Nous avons à cette occasion fait la démonstration du premier QCL fonctionnant sur ce substrat, et ce jusqu'à température ambiante à 3,3 µm de longueur d'onde. / Quantum cascade lasers (QCLs) are unipolar semiconductor lasers employing radiative transitions between electron subbands in multiple quantum well structures. QCLs can deliver high optical powers in a large spectral range from mid-IR to THz. The best QCL performances have been achieved using III-V materials that can be grown on InP substrates. The InAs/AlSb material system represents an alternative solution for the elaboration of QCLs. While it is still much less explored compared with the InP family, some properties of these materials are very attractive for the development of QCLs.This thesis contributed to better understanding of the InAs/AlSb system, as well as to physics and technology QCLs based on these materials.Much attention has been paid to the performance improvement of InAs/AlSb QCLs, especially to the increasing of operation temperature of these lasers. A model of electronic transport in such devices, which is in good agreement with obtained experimental data, has been developed. This model has been used for optimization of the QCL design and, in consequence, to the improvement of the lasers performances.The main application of infrared lasers is molecular spectroscopy requiring high spectral purity of the laser emission. To make InAs-based QCLs suitable for spectroscopic applications we have developed a technology of distributed feedback (DFB) lasers for the 3-10 µm range with single frequency emission. Continuous wave (cw) operation of InAs/AlSb QCLs has been achieved for the first time in lasers emitting near 9 µm at temperatures up to 255 K. These lasers have been optimized for cw operation using predictive modeling of heat balance in the device. In order to improve performances of short wavelength InAs/AlSb QCLs emitting below 4 µm we proposed to replace a plasmon enhanced waveguide employing heavily doped InAs and exhibiting strong free carrier absorption by a low loss dielectric waveguide with AlGaSbAs cladding layers. These lasers grown for the first time on GaSb substrates and operated between 2.8 and 3.3 µm demonstrated performances proving the attractiveness of this approach to achieve further progress in InAs/AlSb QCLs.

Dans le moyen-infrarouge, les barrettes de lasers à cascade quantique sont d’un grand intérêt pour la réalisation de sources large bande intégrables dans les systèmes de spectroscopie laser. Une excellente finesse spectrale, la présence d’un seul mode spatial et une gamme d’accordabilité large sont ainsi rassemblées sur une seule puce, compacte et intrinsèquement stable. Afin de bénéficier de l’ensemble des longueurs d’onde sur une sortie unique, les défis majeurs résident dans l’association de technologies pour rassembler les différentes sorties en une seule via l’utilisation de circuits photoniques intégrés (CPI). Ce CPI peut être séparé en trois briques élémentaires : une filière de guidage passif, un combineur de longueurs d’onde et un coupleur actif/passif. Pour la mise-en-forme du faisceau, nous reportons la fabrication et la caractérisation de guides d’onde en InP/InGaAs/InP gravés profondément, avec des performances proches de l’état de l’art. Nous fabriquons et caractérisons des multiplexeurs basés sur des réseaux de diffraction intégrés, sur filière InP et SiGe. Un multiplexeur de 60-vers-1 voies couvrant la gamme de 7-8,5 µm est réalisé. Une méthode innovante mettant en œuvre des multiplexeurs inter-digités et fonctionnant sur trois ordres de diffraction est démontrée. Finalement, nous réalisons des barrettes de laser à cascade quantique sur InP et sur silicium. Un coupleur adiabatique est dimensionné, fabriqué et caractérisé pour associer efficacement les guides actifs et passifs. Des intégrations de types hétérogène et hybride sont envisagées, avec la première démonstration d’une source accordable utilisant une barrette de lasers et un multiplexeur InP. / In the mid-infrared, arrays of distributed feedback quantum cascade lasers have been developed as a serious alternative to obtain extended wavelength operation range of laser-based gas sensing systems. Narrow-linewidth, single mode operation and wide tunability are then gathered together on a single chip with high compactness and intrinsic stability. In order to benefit from this extended wavelength range in a single output beam, the key challenge resides in the combination of different technologies to merge the output of different sources via the use of mid-IR photonic integrated circuits (PIC). The PIC can be split into three main blocks: the passive waveguide platform, the beam combiner and the active/passive coupler. For beam handling and guiding, we report fabrication and characterization of deeply etched InP/InGaAs/InP waveguides with state of the art performances. We fabricate and characterize multiplexers based on echelle and arrayed waveguide gratings on InP and SiGe platforms. A 60-to-1 spectral multiplexer operating in the 7-to-8.5 µm range is demonstrated. An advanced multiplexing scheme using interleaved and cross-order operations is also exposed. Finally, we realize quantum cascade laser arrays on InP and silicon. We design, fabricate and characterize an adiabatic coupler to efficiently and monolithically integrate active and passive waveguides. Heterogenous and hybrid integration are also considered with the demonstration of a tunable source using laser array and InP-based multiplexer.

La spectroscopie dans le moyen-infrarouge est une méthode universelle pour identifier les substances chimiques et biologiques, car la plupart des molécules ont leurs résonances de vibration et de rotation dans cette plage de longueurs d'onde. Les systèmes moyen infrarouge disponibles dans le commerce reposent sur des équipements volumineux et coûteux, tandis que de nombreux efforts sont maintenant consacrés à la réduction de leur taille et leur intégration sur circuits intégrés. L’utilisation de la technologie silicium pour la réalisation de circuits photoniques dans le moyen-infrarouge présente de nombreux avantages: fabrication fiable, à grand volume, et réalisation de circuits photoniques à hautes performances, compacts, légers et à faible consommation énergétique. Ces avantages sont particulièrement intéressant pour les systèmes de détection spectroscopique moyen infrarouge, qui besoin d'être portable et à faible coût. Parmi les différents matériaux disponibles en photonique silicium, les alliages silicium-germanium (SiGe) à forte concentration en Ge sont particulièrement intéressants en raison de la grande fenêtre de transparence du Ge, pouvant atteindre 15 µm. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier une nouvelle plate-forme SiGe à forte concentration en Ge, pour la démonstration de circuits photoniques moyen infra rouge. Cette nouvelle plate-forme devrait bénéficier d'une large gamme de transparence en longueurs d'onde de transparence et de la possibilité d’ajuster les propriétés des guides optiques (indice effectif, dispersion,…). Au cours de cette thèse, différentes plates-formes basées sur différents profils graduels du guide d’onde ont été étudiées. Tout d'abord, il a été démontré qu’il était possible d’obtenir des guides présentant de faibles pertes optiques inférieures à 3 dB/cm dans une large plage de longueurs d'onde, de 5,5 à 8,5 µm. Une preuve de concept de détection de molécules, basée sur l'absorption de la partie évanescent du mode optique a ensuite été démontrée. Ensuite, les composants formant les briques de base classiques de la photonique intégrée ont été étudiés. Les premières cavités intégrées ont été réalisées à 8 µm. Deux configurations ont été étudiées : des cavité Fabry-Perot utilisant des miroirs de Bragg intégrés dans les guides d’onde et des résonateurs en anneau. Un spectromètre à transformée de Fourier fonctionnant sur une large bande spectrale, et pour les deux polarisations de la lumière a également été démontré. Tous ces résultats reposent sur la conception des matériaux et des composants, la fabrication en salle blanche et la caractérisation expérimentale. Ce travail a été effectué dans le cadre du projet européen INsPIRE en collaboration avec le Pr. Giovanni Isella de Politecnico Di Milano. / Mid-infrared (mid-IR) spectroscopy is a nearly universal way to identify chemical and biological substances, as most of the molecules have their vibrational and rotational resonances in the mid-IR wavelength range. Commercially available mid-IR systems are based on bulky and expensive equipment, while lots of efforts are now devoted to the reduction of their size down to chip-scale dimensions. The use of silicon photonics for the demonstration of mid-IR photonic circuits will benefit from reliable and high-volume fabrication to offer high performance, low cost, compact, lightweight and power consumption photonic circuits, which is particularly interesting for mid-IR spectroscopic sensing systems that need to be portable and low cost. Among the different materials available in silicon photonics, Germanium (Ge) and Silicon-Germanium (SiGe) alloys with a high Ge concentration are particularly interesting because of the wide transparency window of Ge up to 15 µm. In this context, the objective of this thesis is to investigate a new Ge-rich graded SiGe platform for mid-IR photonic circuits. Such new plateform was expected to benefit from a wide transparency wavelength range and a high versatility in terms of optical engineering (effective index, dispersion, …). During this thesis, different waveguides platforms based on different graded profiles have been investigated. First it has been shown that waveguides with low optical losses of less than 3 dB/cm can be obtained in a wide wavelength range, from 5.5 to 8.5 µm. A proof of concept of sensing based on the absorption of the evanescent component of the optical mode has then been demonstrated. Finally, elementary building blocs have been investigated. The first Bragg mirror-based Fabry Perot cavities and racetrack resonators have been demonstrated around 8 µm wavelength. A broadband dual-polarization MIR integrated spatial heterodyne Fourier-Transform spectrometer has also been obtained. All these results rely on material and device design, clean-room fabrication and experimental characterization. This work was done in the Framework of EU project INsPIRE in collaboration with Pr. Giovanni Isella from Politecnico Di Milano.

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(工学) / 乙第12860号 / 論工博第4107号 / 新制||工||1609(附属図書館) / 31540 / (主査)教授 北野 正雄, 教授 川上 養一, 准教授 酒井 道 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

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Articular cartilage helps in the motion of the diarthroidal joints by providing a near frictionless load bearing surface. Identification of changes in articular cartilage chemical and structural properties that arise from degeneration and suboptimal tissue repair have been the target of many studies. Current methods that evaluate these changes frequently involve destructive specimen preparation. Thus there is a need to develop a method to accurately evaluate changes in cartilage during disease or repair processes. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy in the mid-infrared (MIR) spectral range is based on molecular vibrations and has been used to study the chemical and structural properties of biological tissues, including cartilage. However, this technique generally requires extensive sample preparation and modification of the intact tissue. An alternative approach is to use near-infrared spectroscopy (NIRS) which does not require sample preparation due to higher depth of penetration. This doctoral dissertation focuses on identification of NIR spectral features to evaluate the major components of cartilage. These NIR spectral features are then used to evaluate compositional changes in engineered and degraded cartilage, and the results validated with histological, biochemical, mechanical and MIR analysis of the same tissue. Together, these studies lay the groundwork for clinical and in situ applications of NIRS. / Bioengineering

<p> In this work, tunable Mid-Infrared (IR) light sources based on quasi-phase matched (QPM) difference frequency generation (DFG) by periodically poled lithium niobate (PPLN) crystals are studied. The theory of DFG and the characteristics of lithium niobate crystals are described and analyzed. Characteristics of the wavelength tuning of QPM DFG by PPLN crystals are studied. In order to analyze in detail, simulation and experimental data of the widely tunable mid-IR laser source around 2 1- μm to 5 1- μm wavelength are presented. The simulations of DFG process by PPLN are conducted based on the nonlinear optics reported. In the experiment, a 1.064 μm Nd:YAG laser and a tunable Ti:sapphire laser are employed as the signal and pump lasers, respectively. Based on the studies of the wavelength tuning characteristics at different temperatures, an optimization procedure to achieve a maximum wavelength tuning range is proposed. The potential applications in gas detection of the mid-IR source are also described briefly. Recommendation for future works and potential applications of the PPLN DFG based mid-IR lasers are discussed. </p> / Thesis / Master of Applied Science (MASc)