Dispositifs optoélectroniques à hautes fréquences dans la région du moyen infrarouge

Highf requency optoelectronic devices in the mid infrared wavelength region.

• Auteur / Autrice : Zahra Sadat Asghari
• Direction : Carlo Sirtori, Maria Amanti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/03/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Gallais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carlo Sirtori, Maria Amanti, Yann Gallais, Roland Teissier, Sophie Bouchoule, Guillaume Ducournau, Alexandre Delga, Eva Monroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roland Teissier, Sophie Bouchoule

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phénomènes ultra-rapides

Squids

Capteurs optiques

Rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Moyen infra rouge

Photo-détecteurs

Dispositifs quantiques

Dispositifs ultrarapides

Mid infrared

Photodetectors

Quantum devices

Ultrafast devices

Résumé

La région moyen-infrarouge se situe entre les domaines de l’optique et du THz du spectre électromagnétique. Cette région a un intérêt particulier dans les applications spectroscopiques et la communication dans l’espace libre.Grâce à des avancées technologiques sur la fabrication de dispositifs unipolaires basés sur des transitions inter-sous-bandes, la région du moyen-infrarouge est devenue accessible par une nouvelle famille de lasers et détecteurs à base de semi-conducteurs. Ces dispositifs optoélectroniques sont basés sur des transitions optiques entre les états électroniques de la bande de conduction d’une structure composée d’une succession de puits quantiques. Leur temps de vie caractéristique est de l’ordre du picosecondes et ainsi, les dispositifs inter-sous-bandes disposent de propriétés de dynamique ultra rapides intéressantes dans le développement des applications à hautes fréquences.L’objectif de cette thèse est le dessin d’un système prêt à l’emploi pour la communication dans l’espace libre à fort taux de transfert de bit dans le moyen-infrarouge, avec tous les composants qui fonctionnent à température ambiante. Dans ce but, nous avons étudié les performances hautes fréquences d’un système composé de détecteurs et de lasers à cascade quantiques.Dans un premier temps, nous avons caractérisé les propriétés électriques et optiques d’un détecteur à cascade quantique à 4.9 μm à température ambiante. La structure de bande ainsi que la distribution des charges a été étudié en détails dans différentes conditions de température et de tensions appliquées aux bornes du détecteur. Nous avons montré une température limite de détection de 135 K avec une detectivité à cette température de 2 × 1011 Jones, nous situant dans l’état de l’art. Par la suite, nous nous sommes concentrés sur la réponse en modulation à haute fréquence du détecteur à cascade quantique. Nous avons, en premier lieu, optimisé le système électronique afin qu’il soit compatible avec des mesures hautes fréquences. Avec ce système, nous avons mesuré une détection optique jusqu’à 5.4GHz en utilisant un détecteur à cascade quantique de taille 50 × 50 (μm)2 avec son pont suspendu en or adapté en impédance avec tout le reste du montage expérimental. Grâce à des mesures de rectification, nous avons montré que la fréquence de coupure est limitée par la structure de bande du détecteur en soit. Nous avons ensuite développé un système prêt à l’emploi pour les modulations hautes fréquences du laser à cascade quantique, ce dernier étant optimisé grâce une étude sur son contact d’injection. Nous montrons ainsi une fréquence de coupure optique de 10 GHz, limitée par le photo-détecteur. Enfin, comme preuve de concept, nous avons réalisé une communication dans l’espace libre de 4 Gb/s à l’échelle du laboratoire en utilisant un laser à cascade quantique et un photo-détecteur infrarouge à puits quantiques. Pour cela, nous avons utilisé une modulation par changement de phase binaire et nous avons obtenu un taux d’erreur de 10(−5).

Mid infrared (MIR) covers the region of the electromagnetic spectrum between optics and THz ranges. This frequency range is of great interest for applications in spectroscopy and free space optical communications. The progress on unipolar devices based on intersubband transitions, has introduced in the MIR a new family of semiconductor lasers and detectors. These optoelectronic devices are indeed based on optical transitions between electronic states in the conduction band of a complex sequence of quantum wells. Their characteristic lifetime is of the order of picoseconds and therefore intersubband devices have a great potential for wideband ultrafast applications.The aim of this work is the design of a system for high data bit rate free space optical communication in the mid infrared spectral region, with all the components operating at room temperature. To this end, we investigate the high frequency performances of quantum cascade detectors (QCD) and lasers (QCL).Firstly, we carefully explore the electrical and optical characteristics of QCD at 4.9 μm operating at room temperature. A detailed study of the band structure and charge distribution at different operating temperature and under different applied bias is reported. We demonstrate a background limited infrared photodetector (BLIP) temperature of 135 K and a detectivity at this temperature of 2 × 1011 Jones, which is at the state of the art. We then focus on QCD response to high frequency modulation. We engineered and realized an electronic system compatible with high frequency operation. We report an optical response up to 5.4 GHz with a 50 × 50 (μm)2 square mesa using a gold air-bridge technology. Thanks to rectification measurements, we show that the band-pass is limited by the specific detector bandstructure. For the high frequency modulation of QCLs, we develop a plug and play system with an optimization on the injection contact that allows the demonstration of a cut off frequency of 10 GHz, limited by the photodetector. Finally, we present a proof of principle demonstration of a free space optical communication experiment using a QCL and a quantum well infrared photodetector (QWIP) at 4 Gb/s. We use a Binary Phase-Shift Keying (BPSK) modulation technique and we obtain a bit error rate of 10(−5).