Approche optique
Sources et détecteurs aux fréquences térahertz

3.1 Laser à cascade quantique

En optique visible et infrarouge, notamment pour les grandes longueurs d’ondes des télécommunications, le LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est le composant le plus utilisé. Comme l’indique son acronyme, pour obtenir l’effet laser, il est nécessaire d’obtenir l’émission stimulée des transitions optiques. Pour un laser semi-conducteur, elles se font entre la bande de conduction et de valence. Par conséquent, les électrons et les trous sont impliqués dans ces transitions. Elles peuvent avoir lieu dans un matériau semi-conducteur en volume ou dans des puits quantiques. Si, à présent, on désire étendre ce principe de fonctionnement pour des longueurs d’onde correspondant à l’infrarouge moyen (10 µm) ou lointain (100 µm), on se heurte à la difficulté suivante. Les matériaux semi-conducteurs n’ont pas un gap suffisamment étroit pour correspondre à l’énergie de la transition optique. Face à ce problème, le chercheur a introduit le concept de transition inter-sousbande et non plus interbande comme dans le cas précédent.

L’idée est simple dans son principe. La structuration des matériaux en puits quantiques permet de quantifier l’énergie des électrons. Pour une diode double barrière, nous avons vu (§ 2.1) que l’on peut ainsi mettre à profit le niveau quantique fondamental. Pour des barrières suffisamment élevées, plusieurs niveaux peuvent exister dans une même bande soit de valence, soit de conduction. Une structure également très intéressante consiste à coupler les puits entre eux. En pratique, cela signifie qu’ils sont séparés d’une barrière de potentiel que les électrons peuvent traverser par effet tunnel. Lorsque les deux puits sont parfaitement identiques, ils présentent les mêmes valeurs de niveaux d’énergie qui leur sont propres. En revanche, le couplage par effet tunnel fait que le système quantique, constitué des deux puits, présente deux...