Composants et dispositifs pour la génération, la détection et le contrôle des ondes électromagnétiques térahertz

Devices dedicated to the generation, detection and control of terahertz electromagnetic waves

• Auteur / Autrice : Fabien Aquistapace
• Direction : Jean-Louis Coutaz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, optronique et systèmes
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Chambéry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes électromagnétiques

Résumé

Nous présentons l'étude de composants et dispositifs pour la génération, la détection et le contrôle des ondes électromagnétiques térahertz (THz). La première partie porte sur la génération par photoconduction de signaux THz dans le domaine fréquentiel. Dans un premier temps, nous présentons un modèle analytique que nous avons établi permettant de simuler le comportement de photo-commutateurs éclairés par deux faisceaux laser continus dont le battement se situe dans le domaine THz. Ce type de modèle permet de mieux comprendre les phénomènes qui se produisent pendant la photo-commutation mais surtout d'optimiser les rendements de génération THz en fonction des paramètres des matériaux semi-conducteurs employés. Parmi ceux-ci, l'arséniure de gallium épitaxié à basse température produit les meilleures performances. Nous présentons quelques travaux de caractérisation de ce matériau en vu d'applications optoélectroniques à très hautes fréquences. Dans un deuxième temps, nous présentons les matériaux susceptibles d'être excités à une longueur d'onde de 1,5 mm dans le but d'utiliser les sources laser continues de hautes performances qui ont été développées pour les télécommunications optiques. Nous avons concentré nos travaux sur l'InGaAs implanté, étudié dans le cadre d'une collaboration avec le centre de Rossendorf. La deuxième partie de cette thèse concerne la mise en forme de signaux THz par l'emploi de technique quasi-optique. Nous proposons d'utiliser deux techniques originales pour l'infrarouge lointain, dérivées de méthodes bien connues en optique : le couplage par réseau d'une impulsion THz dans un guide d'onde diélectrique planaire et le filtrage fréquentiel en résultant. Les courbes de dispersion des modes guidées dans le domaine THz ont été déterminées. Des expériences de contrôle optique du couplage ont été réalisées. Le guidage des impulsions THz dans des guides circulaires diélectriques. Des fibres ont été fabriquées et nous avons mesuré leurs propriétés de propagation dans le domaine THz.

This work has been devoted to the study of devices in view of generating, detecting and controlling terahertz electromagnetic waves. This first part of this thesis concerns the generation, using photoconducting devices, of continuous THz signals. We present an analytical model that allows us to simulate the electrical response of photoswitches excited by the beating of two continuous laser beams, whose optical frequencies differ by a THz amount. The simulation renders for the different physical phenomena occurring during the switching process, and permits to optimize the efficiency of the THz generation versus the parameters of the photoswitch semiconductor material. Among ail possible materials, L T -GaAs leads to the best performance. We present here several characterizations of this material in view of applications in ultrafast optoelectronics. Then we focus our study on materials that can be excited at 1. 5 micron wavelength, in order to use telecoms laser diodes that are cheap, reliable and exhibit the high performance required for continuous THz generation. We have studied ion- implanted InGaAs epitaxial layers, in collaboration with the Rossendorf Centre: this semiconductor shows bath ultrafast sub-picosecond carrier lifetime and high electrical resistivity. The second part of our work is devoted to the contrai of THz beam amplitude, phase and spectrum. We propose two original techniques for the far infrared, derived from the optical domain : grating-assisted coupling of the THz signal into a dielectric waveguide. The waveguide is a high resistivity silicon wafer. The dispersion curves of the guided modes have been determined. A fine filtering of the THz spectrum is observed and the optical control of the THz waves coupling has been experimented. Guiding THz pulses in dielectric cylindrical waveguides. We have manufactured dielectric fibres designed for the THz range, and we have measured the propagation properties of such fibres