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Experimental and theoretical study of the spontaneous
emission of quantum cascade structures into metallic
micro-cavities

Etude de l'émission spontanée dans des structures à
cascade quantique en microcavité métallique

Résumé : Dans ce travail de thèse, on aborde la manifestation des effets d'Électrodynamique Quantique en Cavité (EDQC) dans le domaine THz. Le domaine THz est définie comme la région des fréquences entre 300 GHz et 30 THz (longueurs d'onde entre 10 µm et 1000 µm). Les sources que nous employons pour la génération rayonnement THz sont des cascades quantiques électroluminescentes
GaAs/GaAlAs.

Les longueurs d'ondes rayonnées (l ~100 µm) sont ainsi beaucoup plus grandes que l'épaisseur typique des émetteurs (~1 µm). Dans ces conditions, lorsque la source est mise dans une cavité métallique planaire, le taux de l'émission spontanée croît comme l'inverse de l'épaisseur de la cavité.

Le travail de thèse comporte d'abord un analyse théorique des dispositifs. Le taux d'émission spontanée est étudié à la fois dans le formalisme classique du champ rétro-réfléchi, et dans le
formalisme quantique du règle d'or de Fermi. Pour la dernière approche on a développé une méthode numérique pour le calcul et la normalisation des modes optiques supportés par un système
multicouches quelconque, qui peut être appliqué à l'étude des dispositifs lasers. L'analyse des cavités planaires sub-longueur d'onde permet de distinguer un effet "utile", qui porte sur le mode TM_0 guidé dans la cavité, et un effet d'absorption, associé aux plasmons de surface supporté par les
couches de contact dopées qui sont nécessaires pour l'injection électrique dans la cascade quantique.

Le problème d'extraction de l'émission de la cavité est ensuite analysé. Pour cela on étudie un dispositif photonique de nouveau type, la "cavité complexe", dans lequel on a remplacé le miroir
métallique supérieur par un réseau métallique. Un modèle de diffraction conique général est développé pour cette étude. Ce modèle a été vérifié dans le domaine THz par mesures de transmission. Il est appliqué dans le cas de rayonnement dipolaire à l'intérieur de la cavité complexe. Le comportement de la puissance extraite de la cavité en fonction de la période du réseau et de l'épaisseur de la cavité permet de reconnaître les effets d'Électrodynamique Quantique en Cavité dans le domaine THz.

Pour la mise en évidence expérimentale des effets EDQC, nous avons fabriqué et étudié des cavités complexes avec une cascades quantique. La croissance de type MOCVD, peu exploitée jusqu'à
maintenant pour la fabrication des dispositifs à cascade quantique, a été mis au point avec la perspective de réalisation des dispositifs lasers. Notre étude expérimentale confirme les
prévisions théoriques. Un facteur de renforcement de l'émission spontanée de ~ 50 est démontré pour la structure de l'épaisseur la plus faible 0.4 µm. Nous avons ainsi mis en évidence, pour la première fois, l'effet de réduction de l'épaisseur du dispositif rayonnant sur l'émission spontanée dans
le domaine THz.

Parmi les perspectives sur lesquelles cette étude débouche, on peut citer la réduction de la taille latérale des dispositifs pour obtenir un effet Purcell 3D, et également l'exploitation du plasmon des couches des contact dopées pour la conception et la fabrication des dispositifs photoniques THz compacts de nouveau type.