Antenna resonators for quantum infrared detectors and fast heterodyne receivers

par Danièle Palaferri

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Carlo Sirtori.

Soutenue le 12-02-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris) (laboratoire) et de Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019) (établissement de préparation) .

Le président du jury était Giuseppe Leo.

Le jury était composé de Carlo Sirtori, Isabelle Ribet, Olivier Gravrand, Alexandre Delga, Mikhail Belkin.

Les rapporteurs étaient Isabelle Ribet, Olivier Gravrand.

  • Titre traduit

    Résonateurs-antennes pour détecteurs quantiques Infrarouges et récepteurs rapides à hétérodyne


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de méta-structures pour l’amelioration des performances de détecteurs dans les gammes spectrales du moyen infrarouge et du térahertz (THz). Ces méta-structures sont des matrices de résonateurs métalliques qui actent aussi comme antennes, permettant une meilleure collection des photons et un plus fort confinement du champ électrique. Dans ce manuscrit, j’examine les résultats expérimentaux concernant deux photo-detecteurs infrarouges à puits quantiques (QWIP) résonants à une longueur d'onde de 55.5 µm (5.4 THz) et de 8.6 µm, implémentés dans des réseaux d’antennes patch. La responsivité, la détectivité et les performances thermiques des dispositifs en microcavité sont systématiquement comparées au même détecteur fabriqué en géométrie standard ‘mesa’, pour lequel le rayonnement infrarouge est couplé par le substrat. La cohérence du modèle est évaluée en comparant le gain photoconducteur de chaque structure QWIP. Dans le moyen infrarouge, le fonctionnement à température ambiante avec une source de radiation thermique est démontré pour la première fois. De plus, en exploitant la courte durée de vie des porteurs dans la zone de QWIP, une détection hétérodyne à température ambiante a été démontrée jusqu’aux fréquences de quelques GHz, limitée uniquement par la fréquence de coupure du circuit externe. Dans la dernière partie de ce manuscrit, plusieurs perspectives sont discutées concernant des structures de détecteurs quantiques couplés à la géométrie de résonateurs patch et des architectures inspirées des métamateriaux, avec la perspective d’améliorer davantage les performances des photodétécteurs


  • Résumé

    The present thesis manuscript is about the conception and the realisation of metastructures for the improvement of detector performances in the mid-infrared and terahertz (THz) spectral ranges. These meta-structures are arrays of metal resonators that also act as antennas, allowing a better collection of photons and a stronger confinement of the electric field. In this manuscript, I examine the experimental results regarding a 55.5 µm (5.4 THz) and a 8.6 µm quantum well infrared photodetectors (QWIP), implemented into patch-antennae arrays. The responsivity, the specific detectivity and the thermal performances of the antenna-coupled devices are systematically compared to the same detector processed in standard substrate-coupled ‘mesa’ geometry. In the mid-infrared, the room temperature operation using a thermal radiation source is reported for the first time. Moreover, exploiting the short carrier lifetime in semiconductor quantum wells, a room temperature heterodyne detection is demonstrated, at frequencies up to few GHz, limited only by the cut-off frequency of the external circuit. In the last part of this work, several perspectives are discussed, regarding alternative quantum detector structures coupled to the patch resonators geometry and innovative circuit-like plasmonic architectures, envisioning orders of magnitude improvement in photodetector performances

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