Mohammadreza Saemian

Dispositifs quantiques haute vitesse pour la communication en espace libre à 4 µm: Cette thèse développe des dispositifs quantiques unipolaires fonctionnant dans l'infrarouge moyen (4-5 μm) à température ambiante, modulant à des fréquences extrêmement élevées. Elle répond au manque de dispositifs optoélectroniques efficaces dans l'infrarouge moyen, cruciaux pour des systèmes tels que le LiDAR et la transmission de données en espace libre. Le travail comprend un examen des dispositifs unipolaires - photodétecteurs infrarouges à puits quantiques (QWIP), détecteurs à cascade quantique (QCD) et lasers à cascade quantique (QCL) - et de leurs principes fondamentaux. L'accent est mis sur les photodétecteurs à puits quantiques fonctionnant à 4-5 μm avec des fréquences de coupure allant jusqu'à plusieurs gigahertz. Un système de détection cohérente très sensible utilisant des méthodes hétérodynes a été développé, atteignant une puissance détectable minimale de 100 fW avec des QCLs à verrouillage de phase. La thèse présente également des modulateurs optoélectroniques à 4,8 μm utilisant des puits quantiques à couplage asymétrique basés sur l'effet Stark, démontrant la communication de données en espace libre en transmettant et en recevant des vidéos HD avec des QCL. Les projets futurs visent à intégrer ces dispositifs dans des systèmes photoniques sur puce, semblables à ceux qui ont révolutionné les télécommunications dans le proche infrarouge.

Interband cascade lasers (ICLs) are semiconductor lasers emitting in the mid-wave infrared (MWIR 3–6 μm) and can operate as frequency combs (FCs). These demonstrations are based on double section cavities that can reduce dispersion and/or are adapted for radio frequency operation. Here, we show that ICL FCs at long wavelengths, where the refractive index dispersion reduces, can be realized in a single long section cavity. We show FC generation for ICLs operating at λ ∼ 4.2 μm, demonstrating narrow electrical beatnotes over a large current range. We also reconstruct the ultrafast temporal response through a modified shifted wave interference Fourier transform spectroscopy setup with two fast MWIR detectors, which shows a frequency modulated response in free running operation. Further, we show that, through active mode-locking, the ICL can be forced to generate short pulses on the order of 3 ps. This temporal response is in agreement with Maxwell–Bloch simulations, highlighting that these devices possess long dynamics (∼100 ps) and potentially makes them appropriate for the generation of large peak powers in the MWIR.

We report room temperature heterodyne detection of a quantum cascade laser beaten with a local oscillator on a unipolar quantum photodetector in two different atmospheric windows, at 4.8 $μ$m and 9 $μ$m. A noise equivalent power of few pW is measured by employing an active stabilization technique in which the local oscillator and the signal are locked in phase. The measured heterodyne noise equivalent power is six orders of magnitude lower than that obtained with direct detection.

We report room temperature heterodyne detection of a quantum cascade laser beaten with a local oscillator on a unipolar quantum photodetector in two different atmospheric windows, at 4.8 µm and 9 µm. A noise equivalent power of few pW is measured by employing an active stabilization technique in which the local oscillator and the signal are locked in phase. The measured heterodyne noise equivalent power is six orders of magnitude lower than that obtained with direct detection.