Couplage des équations de Maxwell avec l'équation de Boltzmann en 3D : appliqué à la modélisation d'un photocommutateur THz

Coupling 3D Maxwell and Boltzmann equations for modeling a TeraHertz photoconductive switch

• Auteur / Autrice : Marina Sirbu
• Direction : Frédéric Aniel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

FDTD (Finite Difference Time Domain) à pas variable

Méthode de Monte Carlo

Résumé

Cette thèse traite le couplage des équations du transport et des équations de l'électromagnétisme dans un photocommutateur visant la génération des signaux TeraHertz. Dans un premier temps, les équations relatives au transport des porteurs sont résolues avec un modèle " dérive diffusion ". Ensuite une résolution plus complexe basée une approche Monte Carlo est présentée. Le photocommutateur est situé dans un guide coplanaire dont les dimensions sont proches de celles des structures existantes. Les contraintes numériques sont liées à la résolution dans le domaine temporel du système d'équations couplées, au maillage spatial, à la taille du domaine de simulation nécessaire, aux conditions aux limites et aux non- linéarités supplémentaires introduites par la variation temporelle et spatiale des différents coefficients. Le système 3D est entièrement résolu par la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain) à pas variable, ce qui nous permet d'avoir un maillage suffisamment fin au sein du dispositif. Nous avons étudié la manière dont est générée la réponse du photocommutateur à une excitation optique femto seconde. Nous avons d'abord mis en évidence l'origine électromagnétique de cette réponse, avant d'effectuer une étude paramétrique permettant l'identification des paramètres clefs qui la contrôlent. La confrontation des résultats de modélisation avec les résultats de mesure existants a montré un bon accord. Les résultats préliminaires obtenus avec la méthode de Monte Carlo ont permis de mettre en évidence des effets inertiels entre les variations du champ électromagnétique et la réponse des porteurs.

This PhD thesis presents the coupling between the Boltzmann transport equations and the electromagnetic field equations in a photoconductive switch generating THz signals. First, the transport equations are solved in the drift diffusion approximation. Then, a more complex resolution is made with a Monte Carlo based model. The photoconductive switch is located is coplanar wave guide whose dimensions are comparables with the existents structures. The numerical constraints come from the time dependant resolution, the necessarily space mesh, the simulation domain dimensions, boundary conditions and non linearity introduced by the time and space coefficients variation. The 3D equation system is solved with the variable space step FDTD (Finite Difference Time Domain) method, which allows a sufficiently refined mesh inside the switch. We have studied the photoconductive switch response when a femto second optic excitation is applied. We have shown the electromagnetic field implication in the device response origin. We also made a parametric analysis identifying the main parameters controlling the electromagnetic THz pulse. There is a good agreement between the modelling results and the experimental data. The Monte Carlo method allows taking into account the inertial effects between the electromagnetic field variation and the carrier response. This method is still in developing phase, but we have obtained good preliminary results.