Dispositifs quantiques unipolaires pour l'optoélectronique moyen-infrarouge haute fréquence sur InP

Unipolar quantum devices for high-speed mid-IR optoelectronics on InP

• Auteur / Autrice : Thomas Bonazzi
• Direction : Angela Vasanelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/06/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Giuseppe Leo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ileana-Cristina Benea-Chelmus
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gottfried Strasser, Éric Tournié

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phosphure d'indium

Télécommunications optiques en espace libre

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Modulateurs de lumière

Métamatériaux

Transitions radiatives

Mots clés libres

Couplage lumière-matiere

Transition intersousbande

Métamatériaux

Modulateur à effet Stark

Infrarouge

Dispositifs optoélectroniques

Détecteur à cascade quantique

Communications en espace libre

Light-matter coupling

Intersubband

Metamaterial

Stark modulator

Infrared

Optoelectonic devices

Quantum cascade detectors

Free space telecommunication

Résumé

Des systèmes optoélectroniques ultra-sensibles et ultrarapides dans l'infrarouge moyen sont nécessaires pour les communications en espace libre, la télédétection par laser (LIDAR), la spectroscopie à haute résolution et l'astronomie d'observation. Les transitions intrabandes dans les puits quantiques des matériaux III-V offrent une plateforme complète pour la conception et la fabrication de dispositifs optoélectroniques dans cette gamme d'énergie. Ce travail se concentre sur l'étude, la conception et la démonstration expérimentale d'un modulateur d'amplitude ainsi que d'un détecteur à 9 µm, fonctionnant à haute fréquences et à température ambiante, sur InP. Le modulateur externe est un élément crucial et manquant pour la réalisation de plateformes optoélectroniques complètes dans l'infrarouge moyen. Ce modulateur tire profit de l'effet Stark, où un champ électrique externe est utilisé pour déplacer l'énergie d'absorption de la transition optique. Afin de tirer parti du très court temps de relaxation des transitions optiques intrabandes, un soin particulier a été apporté à la fabrication d'un dispositif compatible avec les radiofréquences, capable de fonctionner jusqu'à plusieurs GHz. Le dispositif résultant a permis la réalisation expérimentale d'une ligne de transmission de données optique en espace libre à température ambiante, avec un débit de 10 Gbit/s. La limite de la bande passante du dispositif est essentiellement fixée par sa taille. Afin de proposer une seconde génération de modulateurs plus performants, la géométrie du résonateur patch est étudiée, afin de fournir un environnement électromagnétique plus avantageux et améliorer l'interaction lumière-matière tout en réduisant la taille des nouveaux modulateurs en métamatériaux. Une attention particulière a été accordée aux défis de nanofabrication soulevés par les le choix de matériaux ainsi que les faibles tailles en jeu. Les progrès réalisés dans la compréhension et la modélisation de ces métamatériaux ont également été mis à profit pour dimensionner des photo-détecteurs infrarouges quantiques efficaces et rapides. En combinant des détecteurs et modulateurs en métamatériaux, une seconde une ligne de transmission optique en espace libre est démontrée, cette fois avec un débit record de 60 Gbit/s.

Highly sensitive and ultrafast mid-infrared (MIR) optoelectronic systems are required for free-space communications, light detection and ranging (LIDAR), high resolution spectroscopy and in observational astronomy. Intraband transitions in quantum wells of III-V materials offer a comprehensive platform for engineering optoelectronic devices in the MIR energy range. This work focuses on the study, the conception and the experimental demonstration of high-speed, room temperature InP-based amplitude modulator and detector at 9 µm, which are crucial and building blocks for a complete optoelectronic platform in the MIR. The proposed modulator takes advantage of the Stark effect, in which an external electric field shifts the absorption energy of the optical transition. In order to exploit the intrinsically fast relaxation times of the optical transitions, special care was taken to process this modulator into an RF-compatible device, able to operate up to several GHz. The resulting device allowed free space optical communications at room temperature with a bitrate of 10 Gbit/s. This electrical bandwidth is mostly set by the size of the device itself. In order to bring forward a second, more performing generation of modulators, patch antenna resonator geometry was studied in the framework of the Coupled Mode Theory. This provides an advantageous electromagnetic environment to enhance light matter interaction while reducing the overall physical size of the resonant metamaterial modulators. A particular attention was given to the nanofabrication challenges raised by material issues and reduced sizes. The progress on the comprehension and modelling of these metamaterials was also used to design efficient high-speed quantum MIR photo-detectors. Using the new metamaterial detectors and modulators, a second free space optical link was demonstrated with a record capacity of 60 Gbit/s.