Sources térahertz photo-mélangées par antennes photoconductrices térahertz multipolaires

Photomixed terahertz emitters by multipolar photoconductive terahertz antennas

• Auteur / Autrice : Alaeddine Abbes
• Direction : Stéphane Blin, Luca Varani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Garnache
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Blin, Luca Varani, Arnaud Garnache, Guillaume Ducournau, Julien Poëtte, Vasilis Apostolopoulos, Mona Jarrahi, Annick Penarier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Ducournau, Julien Poëtte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes (électronique)

Imagerie terahertz

Lasers à semi-conducteur

Lasers

Mots clés libres

Lasers

Antennes

Semiconducteur

Térahertz

Photo-Mélangeur

Lasers

Antennas

Semiconductor

Terahertz

Photomixer

Résumé

Longtemps restreint au domaine de l’astronomie, la récente exploitation des ondes électromagnétiques aux fréquences térahertz (1 THz = 10^12 Hz) a permis de mettre en valeur un intérêt dans d’autres domaines tels que la spectroscopie THz, le contrôle non-destructif industriel, la sécurité et les télécommunications. Cependant, le manque de sources compatibles à des exploitations industrielles restreint le développement des possibles applications à ces fréquences. Cette thèse s’intéresse aux sources THz photo-mélangées continues, dont le principe consiste à superposer deux faisceaux lasers de fréquences proches (différence de fréquences proche de 1 THz) afin de permettre au battement optique résultant d’exciter un photo-mélangeur rayonnant à l’aide d’une antenne un signal à la différence de fréquence. Afin d’éviter un bruit de fréquence excessif qui résulterait d’une simple transposition du bruit de fréquence optique, une source bi-fréquence est utilisée afin d’assurer une corrélation entre les bruits des deux signaux, offrant in fine lors du battement une réduction de quatre ordres de grandeur du bruit de fréquence. La source utilisée est un laser semi-conducteur (InGaAs/GaAs) à émission verticale en cavité externe fonctionnant sur deux modes transverses de Laguerre-Gauss (LG) grâce à l’intégration de masques de pertes, l’un des modes étant le mode Gaussien fondamental, l’autre étant un mode d’ordre supérieur sans énergie au centre (typiquement LG_{0n} avec n = 2, 3 ou 4). Le laser réalisé émet un faisceau à une longueur d’onde de 1064 nm offrant plusieurs spots (2*n) dans l'espace transverse, où les 2 modes se superposent, générant ainsi un battement THz. Afin d’utiliser l’intégralité des spots disponibles et de démultiplier la puissance THz par le nombre de spots, l’étude d’antennes multipolaires a été effectuée, montrant de surcroît une possible exaltation du gain de deux antennes dipôles croisées comparé à un dipôle simple (6.5 dBi versus 2.2 dBi). Cependant, peu de photo-mélangeurs sont rapportés dans la littérature pour des excitations à la longueur d’onde de 1064 nm, malgré la disponibilité de composants et de lasers matures à forte puissance. L'étude d'un miroir à absorbant saturable rapide, constitué d'un puits quantique InGaAs/GaAs en surface (afin de réduire la durée de vie), a permis de montrer un effet photo-conducteur encourageant pour une possible émission THz, et l’étude d’électrodes plasmoniques sur InGaAs/GaAs a permis de démontrer une première émission THz continue. La continuité de ce travail peut ouvrir ainsi la voie à des sources THz continues 6 à 8 fois plus puissantes avec une efficacité de conversion optique-THz accrue et un gain de rayonnement supérieur aux solutions existantes.

Longtime restricted to the field of astronomy, the recent exploitation of electromagnetic waves at terahertz frequencies (1 THz = 10^12 Hz) has highlighted an interest in other areas such as THz spectroscopy, industrial non-destructive testing, security and telecommunications. However, the lack of compatible sources for industrial use restricts the development of possible applications at these frequencies. This thesis focuses on continuous photomixed THz sources, whose working principle consists in superimposing two laser beams of close frequencies (frequency difference close to 1 THz) in order to allow the resulting optical beat to excite a photomixer radiating with the help of an antenna a signal at the frequency difference. In order to avoid an excessive frequency noise which would result from a simple transposition of the optical frequency noise, a bi-frequency source is used to ensure a correlation between the noises of the two signals, offering in the presence of the beating a reduction of four orders of magnitude of the frequency noise. The used source is a semiconductor laser (InGaAs/GaAs) with vertical emission in external cavity operating on two transverse Laguerre-Gauss (LG) modes thanks to the integration of loss masks, one of the modes being the fundamental Gaussian mode, the other being a higher order mode without energy at the center (typically LG_{0n} with n = 2, 3 or 4). The realized laser emits a beam at a wavelength of 1064 nm offering several spots (2*n) in the transverse space, where the 2 modes are superimposed, thus generating a THz beat. In order to use all the available spots and to multiply the THz power by the number of spots, the study of multipolar antennas has been performed, showing in addition a possible exaltation of the gain of two crossed dipole antennas compared to a single dipole (6.5 dBi versus 2.2 dBi). However, few photomixers are reported in the literature for excitations at the wavelength of 1064 nm, despite the availability of mature high-power components and lasers. The study of a fast saturable absorber mirror, constituted by an InGaAs/GaAs quantum well on the surface (in order to reduce the lifetime), allowed to show a photoconductive effect encouraging for a possible THz emission, and the study of plasmonic electrodes on InGaAs/GaAs allowed to demonstrate a first continuous THz emission. The continuity of this work may open the way to continuous THz sources 6 to 8 times more powerful with an increased optical-THz conversion efficiency and a radiation gain superior to existing solutions.