Photomélangeurs distribués pour la génération d'onde sub-THz et THz

Traveling-wave photomixers for sub-THz and THz generation

• Auteur / Autrice : Charbel Tannoury
• Direction : Émilien Peytavit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, photonique
• Date : Soutenance le 13/06/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Patrick Mounaix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Magnin, Frederic Van Dijk, Jean-François Lampin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Juliette Mangeney, Florence Podevin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arséniure de gallium

Photoconductivité

Rayonnement terahertz

Mélangeurs hyperfréquences

Mots clés libres

Photo-mélange

Battement optique

Épitaxie à basse température

Photomixing

Optical beatnote

THz generation

Résumé

Le photomélange est une technique de conversion d'onde optique en onde THz qui implique l'interaction de deux sources optiques de fréquences différentes dans un matériau photoconducteur, ce qui entraîne la génération d'une onde électromagnétique THz à la différence de fréquence entre les deux sources optiques. L'un des principaux avantages du photomélange est son fonctionnement à large bande, qui permet de générer un rayonnement THz dans une large gamme de fréquences. En outre, les matériaux photoconductifs peuvent être facilement intégrés dans des dispositifs petits et portables, ce qui permet de créer des sources THz compactes et très efficaces. L'utilisation de matériaux photoconductifs est principalement attribuée à leur grande photoconductivité et à la courte durée de vie des porteurs du matériau et, en partie, à la conception de l'appareil. Les photomélangeurs actuels sont des dispositifs de la taille micrométrique qui sont éclairés verticalement et sont principalement limités par la puissance optique incidente maximale en raison de la petite taille de leur zone active. Cette dernière est nécessaire pour minimiser la limitation de fréquence bien connue liée à la capacité définie par la taille de l'électrode. Les photomélangeurs distribués sont un autre type de photomélangeurs qui permettent de surmonter la limitation de capacité des dispositifs à éclairage vertical grâce à leur structure distribuée. Outre les limites fondamentales de la durée de vie des porteurs, les photomélangeurs distribués sont limités par le décalage entre l'indice de réfraction THz et l'indice du groupe optique. Nous présentons ici un nouveau concept de photomélangeurs distribués basé sur de l'arséniure de gallium épitaxié à basse température, capable de gérer des puissances optiques élevées atteignant le niveau du watt pour des longueurs d'onde de 780 nm et 1550 nm grâce à sa plus grande zone active atteignant une longueur de 1 mm. En outre, cette nouvelle conception permet un ajustement facile des deux indices, ce qui conduit à une meilleure adaptation entre ces indices. En fin de compte, les résultats de ce manuscrit démontrent qu'il est possible de fabriquer un photomélangeur distribué permettant à la fois de gérer une puissance optique élevée et une adaptation d'indice plausible, ce qui permet à ces photomélangeurs de rivaliser avec les photomélangeurs à illumination verticale et même de surmonter leurs limites.

Photomixing is an optical to THz conversion technique that involves the interaction of two optical fields of different frequencies in a photoconductive material, resulting in the generation of a THz electromagnetic wave at the frequency difference between the two optical sources. One of the significant advantages of photomixing is its broadband operation, which allows for the generation of THz radiation with a wide range of frequencies. Moreover, photoconductive materials can be easily integrated into small and portable devices, making it possible to create compact and highly efficient THz sources. The use of photoconductive material is attributed mainly to its large photoconductivity and to the short carrier lifetime of the material and, in part, to the device's design. State of the art photomixers are micrometer sized devices that are vertically illuminated and mainly limited by the maximum incident optical power due to the small size of their active region. The latter is necessary in order to minimize their well-known frequency limitation related to capacitance defined by the electrode size. Traveling wave photomixers is another type of photomixers that allows to overcome the capacitance limitation of the vertically illuminated devices due their distributed structure. In addition to the carrier lifetime's fundamental limitations of photomixers, the traveling-wave photomixers are limited by the mismatch between the THz refractive index and the optical group index. Herein, we introduce a novel concept for traveling-wave photomixers based on low temperature grown Gallium Arsenide capable of handling high optical powers reaching the watt level for wavelengths of both 780 nm and 1550 nm due to its larger active region reaching the 1 mm length. Moreover, this new design enables an easy adjustment of both indices, leading to a better matching. Ultimately, the findings of this manuscript demonstrate that it is feasible to fabricate a traveling-wave photomixers allowing both high optical power handling and plausible index matching allowing for these photomixers to compete with vertically illuminated photomixers and even overcome their limitations.