Uni-travelling carrier photodiodes and metal mesh filters based on sub-wavelength apertures for THz applications

par Fabio Pavanello

Thèse de doctorat en Micro et nanotechnologies, Acoustique et télécommunications

Sous la direction de Jean-François Lampin.

  • Titre traduit

    Photodiodes à transport unipolaire et filtres métalliques à grille basées sur des réseaux sub-longueur d’onde pour applications THz


  • Résumé

    Le grand intérêt des fréquences THz (0.1-10 THz) pour l’imagerie, la spectroscopie et les communications sans fils a conduit à un important développement de dispositifs pour la génération et la détection d’ondes THz. Les photodiodes à transport unipolaire font partie des principales sources grâce à leur comportement large bande (0-3 THz), leur fonctionnement à température ambiante, leur longueur d’opération à 1.55 µm et leur taille compacte. Le plus grand inconvénient est la leur faible puissance RF générée à haute fréquence (ordre du µW à 1 THz). Une technique pour l’augmenter consiste à utiliser des puissances optiques en entrée plus élevées. Par contre, cette solution peut conduire à leur destruction due à l’échauffement, surtout en cas d’absorption non voulue.Dans la première partie de la thèse un contact électrique basé sur un réseau sub-longueur d’onde a été développé pour réduire ce problème. Cette solution donne des bonnes propriétés électriques, optiques et thermiques avec un procédé plus simple en termes de fabrication et caractérisation par rapport aux travaux précédents.Un deuxième inconvénient est relié à leur caractère non-linéaire qui conduit à un bruit à basse fréquence à cause du large spectre des sources optiques. Ce problème est critique dans le cas de mesures à haute fréquence avec des détecteurs incohérentes car les puissances RF sont très faibles.Dans la deuxième partie de la thèse un filtre passe-haut avec une haute transparence et large bande a été développé sur un diélectrique avec faible pertes aux fréquences THz. Le procédé développé peut être utilisé pour des dispositifs en espace libre grâce aux propriétés optique du diélectrique.


  • Résumé

    The increasing interest in the THz region (0.1-10 THz) for applications like imaging, spectroscopy and wireless communications is leading to a strong development of devices for the generation and detection of THz waves. Uni-travelling carrier photodiodes (UTC-PDs) are one of the main sources due to their broadband behavior (0-3 THz), room temperature operation, driving wavelength of 1.55 µm and compactness. Their main drawback comes from the low output RF powers at high frequencies (order of µW at 1 THz). A technique to increase their RF powers consists in using higher optical driving powers. However, this solution may lead to their failure because of heating, especially in case of unwanted absorption.In the first part of the thesis an electrical contact based on sub-wavelength apertures has been developed to reduce this issue. This solution has been shown valuable under multiple aspects. It provides good electrical, optical and thermal properties, while leading to an easier process in terms of fabrication and characterization with respect to previous works.A second drawback of UTC-PDs is due to their non-linear behavior which leads to a noise at low frequency because of the broad spectrum of the driving optical signals. This issue is critical for measurements at high frequencies with incoherent detectors due to the low RF powers to be detected.In the second part of the thesis a high-transparency broadband high-pass mesh filter has been developed on a novel low-loss dielectric material to filter-out this noise. The developed process can be exploited in other free-space devices like metamaterials due to the remarkable properties of this dielectric at THz frequencies.


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