Détecteur infrarouge hétérodyne à cascade quantique

Quantum cascade infrared heterodyne detector

• Auteur / Autrice : Grégory Quinchard
• Direction : Stefano Barbieri, Jean-François Lampin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 08/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - III-V Lab
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Vilcot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Reverchon, Juliette Mangeney, Virginie Zéninari, Rose-Marie Sauvage, Alexandre Delga
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Christol, Maria Tchernycheva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Puits quantiques

Résonateurs optiques

Optoélectronique hyperfréquence

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Détecteur à cascade quantique

Infrarouge moyen

Antennes optiques

Infrared

Quantum cascade detector

Antenna

Heterodyne

High-frequency

Résumé

La gamme spectrale du moyen infrarouge (MIR : 3-12 μm) s’ouvre aujourd’hui à de nouvelles possibilités d’applications grâce à la maturité des lasers à cascade quantique : communications espace libre, spectroscopie, LIDAR... Or, il n’existe aujourd’hui pas de détecteur rapide fonctionnant à température ambiante dans cette gamme spectrale : tel est l’objectif de ce travail de thèse qui s’appuie sur la technologie des détecteurs à multipuits quantiques, technologie fonctionnant aujourd’hui à des températures cryogéniques pour des raisons thermodynamiques. Pour contourner cette limitation fondamentale, ce travail s’appuie entre autres sur les récents progrès dans le domaine des antennes optiques, qui permettent de redéfinir radicalement l’architecture de détection. Les réalisations dans le MIR restent encore largement à défricher, comparées aux longueurs d’onde visibles. L’ambition de cette thèse est de démontrer la pertinence de la technologie des détecteurs à cascade quantique intégrée aux architectures d’antennes optiques et de tenter de dégager les principaux leviers d’optimisation et les compromis quant aux performances du senseur optique aussi bien en termes de conception que de fabrication.Ce travail s'intéresse aux systèmes de couplage optique utilisés dans les technologies de détection inter-soubande pour palier aux faibles rendements d’absorption ISB. L’absorption optique expérimentale d’un système en géométrie patch, solution retenue dans ces travaux, est étudiée. La description électromagnétique des systèmes en cavité planaire MIM puis des géométries patch menée conduit à la modélisation de l’absorption totale du système selon différents canaux de dissipations via la théorie des modes couplés. La question de l’optimisation de l’absorption est abordée. Les performances DC (courant d’obscurité, réponse et rendement quantique) sont étudiés ainsi que le processus de fabrication développé durant cette thèse. Ces résultats expérimentaux, en accord avec les modèles théoriques, permettent de placer les performances du détecteur à l’état de l’art pour la filière des détecteurs à cascade quantique.Enfin, les performances du système dans un schéma de détection hétérodyne. Une caractérisation expérimentale accompagnée d’un modèle analytique sont présentés. Une bande passante de 30 GHz à température ambiante est démontrée.

The mid-infrared spectral range (MIR: 3-12 μm) is now opening up to new application possibilities thanks to the maturity of quantum cascade lasers: free-space communications, spectroscopy, LIDAR... However, there is currently no fast detector operating at room temperature in this spectral range: this is the objective of this thesis work, which is based on the technology of quantum multi-well detectors, a technology currently operating at cryogenic temperatures for thermodynamic reasons.To overcome this fundamental limitation, this work relies among others on the recent progress in the field of optical antennas, which allows to radically redefine the detection architecture. The achievements in the MIR are still largely to be cleared, compared to visible wavelengths. The ambition of this thesis is to demonstrate the relevance of quantum cascade detector technology integrated into optical antenna architectures and to try to identify the main optimization levers and trade-offs in terms of optical sensor performance both in terms of design and fabrication.This work focuses on optical coupling systems used in inter-band detection technologies to overcome the low ISB absorption efficiency. The experimental optical absorption of a system in patch geometry, the solution chosen in this work, is studied. The electromagnetic description of the MIM planar cavity systems and of the patch geometries leads to the modeling of the total absorption of the system according to different dissipation channels via the theory of coupled modes. The question of the optimization of the absorption is addressed. The DC performances (dark current, response, and quantum efficiency) are studied as well as the fabrication process developed during this thesis. These experimental results, in agreement with the theoretical models, allow placing the performances of the detector at the state of the art for the quantum cascade detectors.Finally, the performances of the system in a heterodyne detection scheme. An experimental characterization along with an analytical model is presented. A bandwidth of 30 GHz at room temperature is demonstrated.