Cette section d´ecrit le banc de spectroscopie THz dans le domaine temporel, utilis´e pour la caract´erisation des dispositifs ´etudi´es.
Afin d’arriver `a un montage THz sous atmosph`ere contrˆol´ee, il est important de comprendre les dispositifs mis en place sur le banc optique. Dans le chapitre1, il a ´et´e question du principe d’´emission et de d´etection THz. La question de la vapeur d’eau qui pr´esente quelques raies d’absorption importantes dans la gamme 0.5 `a 3 THz ce qui peut ´eventuellement nuire aux mesures, a ´et´e mentionn´ee. Pour se d´efaire de cette limitation, le montage dans lequel le rayonnement THz se propage est confin´e dans une enceinte de verre acrylique (plexiglas) pouvant ˆ
etre purg´ee `a l’azote sec. Des fenˆetres optiques en verre sont ajout´ees `a l’enceinte aux endroits appropri´ees pour le couplage aux faisceaux optiques de pompe et de sonde. Le sch´ema du montage de spectroscopie THz mis en place est illustr´e `a la figure 3.12. La r´egion grisˆatre d´elimite le
Figure 3.11 Le nouveau support et PCB pour les ´echantillons photoconducteurs. Laser pulsé à fibre 280 fs @ 1550 nm Miroirs Émeteur Détecteur Cube polariseur Rayon THz Pulse sonde Pulse pompe Lentille Si Ligne à délai Miroirs Lentille Si Miroir A Lame l/2 Téflon
Figure 3.12 Le montage de caract´erisation dans le but de r´ealiser de la spectroscopie THz dans le domaine temporel.
contour de l’enceinte de verre acrylique, dans lequel le rayonnement THz se propage. Cette enceinte est purg´ee `a l’azote sec afin de limiter l’absorption par la vapeur d’eau. Des fenˆetres optiques sont ajout´ees aux endroits appropri´es pour l’entr´ee des faisceaux optiques de pompe et de sonde. Les antennes photoconductrices pr´esentes dans l’enceinte sont ´egalement identifi´ees. Le faisceau laser est d’abord s´epar´e en deux faisceaux `a l’aide d’une lame demi-onde et d’un cube s´eparateur de polarisation. L’orientation de la lame permet d’ajuster la fraction de l’intensit´e lumineuse dirig´ee dans chacune des branches optiques du montage soit celle du faisceau
d’excitation sur l’´emetteur, soit celle du faisceau d’´echantillonnage (ou de sonde) sur le d´etecteur. Le faisceau dans le trajet d’excitation frappe un miroir pour ensuite ˆetre dirig´e vers une lentille de microscope. Le choix de la lentille de microscope est important, car celle-ci d´etermine la taille du spot d’excitation sur l’antenne ´emettrice. Le trajet du faisceau sonde inclut le passage dans une ligne `a d´elai qui permet un ´echantillonnage point par point de l’impulsion THz. Par la suite, un jeu de miroirs redirige le faisceau jusqu’`a l’antenne de d´etection. Encore une fois, le faisceau passe par une lentille de microscope avant d’ˆetre focalis´e sur l’antenne. Une plaque de t´eflon, transparente dans la gamme THz et bloquante dans le proche infrarouge, est utilis´ee pour bloquer tout r´esidu des faisceaux `a 1550 nm, non absorb´ees par les dispositifs d’´emission et de d´etection.
Dans ce montage, l’alignement des deux faisceaux laser est critique. Une combinaison de miroirs et de diaphragmes est utilis´ee afin d’ajuster le point´e (vertical et horizontal). Un bon alignement est obtenu lorsque ces deux faisceaux sont parfaitement colin´eaires sur tout le trajet du montage (`a partir du cube s´eparateur). Cet ajustement se fait en absence des dispositifs. Lorsque cette prouesse d’alignement est r´ealis´ee, les deux antennes sont mises en place.
Les supports d’antennes sont alors d´eplac´es pour que la tache de focalisation des faisceaux optiques soit centr´ee sur l’espace inter-´electrodes. Un bon alignement n´ecessite aussi que l’axe optique des objectifs de microscope et des lentilles de silicium co¨ıncident. Pour r´ealiser ceci, l’antenne d’´emission doit ˆetre positionn´ee en premier puisqu’elle a la plus grande distance inter- ´
electrodes. Elle est donc la plus facile `a aligner. Les antennes utilis´ees pr´esentent une chute de r´esistivit´e sous ´eclairement. En se fiant sur la valeur de r´esistance, il est alors possible de trouver l’emplacement de l’antenne sur l’´echantillon. Ensuite, il faut placer l’antenne de d´etection, et r´ep´eter sensiblement les mˆemes ´etapes d’alignement. Une fois que l’antenne de d´etection est bien align´e avec le faisceau laser en d´etectant la chute de r´esistivit´e, il est possible de proc´eder `a l’alignement des lentilles de Si. Ces derni`eres se trouvent accol´ees `a la face arri`ere de chacun des substrats des dispositifs. Dans un premier temps, le d´etecteur et la plaque de t´eflon peuvent ˆ
etre enlev´es afin d’ajuster la lentille de Si accol´ee sur l’´emetteur de fa¸con `a ce que le faisceau sonde frappe le sommet de cette lentille. Le mˆeme type d’alignement peut ˆetre r´ep´eter pour ajuster la position de la lentille de Si accol´ee `a la face arri`ere du d´etecteur∶ c’est alors le faisceau d’excitation qui est requis sans ´emetteur et plaque de t´eflon. La derni`ere ´etape d’alignement consiste alors `a remettre tous les composants en place et `a optimiser finement la position des lentilles de Si afin de maximiser le signal THz d´etect´e, `a la position correspondant au maximum de la trace (position fixe de la ligne `a d´elai). Il faut se m´efier de ce dernier alignement car des d´eplacements trop grossiers de ces lentilles peuvent modifier le parcours optique et faire en sorte que le maximum de la trace THz se d´eplace. Une fois cette derni`ere manipulation compl´et´ee, le syst`eme est optimis´e et op´erationnel.
de la g´eom´etrie des antennes et du gradient d’indice aux interfaces mat´eriau photoconducteur/air. Le profil d’´emission des ondes basses fr´equences est plus ´etal´e dans l’espace. Il est toutefois possible de collecter ces basses fr´equences jusqu’`a typiquement 0.1 THz, grˆace aux lentilles de Si et au large diam`etre des miroirs paraboliques du montage de spectroscopie. Une simulation par le logiciel COMSOL r´ev`ele que l’emplacement de la lentille de Si accol´ee `a la face arri`ere du substrat de l’antenne ´emettrice est assez critique pour le profil du front de propagation du paquet d’ondes THz, comme en t´emoigne la figure3.13.
Un syst`eme de quatre miroirs paraboliques hors-axe sert `a propager le paquet d’ondes THz jusqu’au d´etecteur. Cette configuration `a 4 miroirs paraboliques est dite de type f -2 f - f avec f la distance focale. Elle permet de placer un ´echantillon directement au point focal entre le deuxi`eme et le troisi`eme miroir, pour des mesures de spectroscopie d’absorption THz et des mesures pompe optique - sonde THz (POST).
(a) (b)
Figure 3.13 Simulations COMSOL de l’effet de la position de la lentille de Si. En (a), la lentille
centr´ee par rapport au rayonnement THz. En (b), la lentille est d´ecentr´ee par rapport au rayonnement THz ce qui accentue la diffraction `a l’interface mat´eriau/air et tout le rayonnement est perdu `a champ lointain. Simulations r´ealis´ees avec Volodymyr Kyrytsya.
L’appareillage utilis´e pour obtenir les traces THz doit ˆetre s´electionn´e de fa¸con `a ne pas injecter de bruit additionnel dans le syst`eme. Effectivement, le signal recueilli est assez faible et par cons´equent, peut ˆetre facilement noy´e par diverses sources de bruit ´electronique et m´ecanique. Une source de haute tension est utilis´ee pour appliquer une diff´erence de potentiel entre les deux ´electrodes de l’antenne d’´emission. La tension appliqu´ee est constante. La mesure du courant se fait par un pr´e-amplificateur provenant de Stanford Research Systems. Une ligne `a d´elai est utilis´ee pour relier ces mesures `a l’emplacement de la trace et ´echantillonner, point par point, l’amplitude du champ ´electrique de l’impulsion THz. Le courant g´en´er´e au niveau de
l’antenne de d´etection est d’abord pr´e-amplifi´e et converti en tension `a l’aide d’un amplificateur de type trans-imp´edance (mod`ele SR570 de Stanford Research Systems). `A mˆeme les r´eglages de l’appareil, un filtre passe-bande 6 dB autour de la fr´equence du hacheur m´ecanique, de 300 Hz `a 3 kHz, est utilis´e avec un gain d’amplification de 2nA/V. Le signal en tension est ensuite envoy´e vers un amplificateur synchrone (mod`ele SR 830 de Stanford Research Systems). Le signal est modul´e `a l’aide d’un hacheur m´ecanique qui se situe dans le trajet pompe. Celui-ci sert de fr´equence de r´ef´erence pour l’amplificateur synchrone. `A mˆeme les r´eglages de cet appareil, les filtres coupe-bande `a 60Hz et `a 120Hz sont activ´es ainsi que le filtre bande-bande de 24 dB autour de la fr´equence du hacheur. Une constante de temps d’int´egration du signal de 300 ms est utilis´ee. Les contacts ´electriques sur l’antenne sont flottants afin de limiter le bruit pouvant provenir de la ligne de masse. Une fois le banc optique et l’appareillage consolid´e, tous les ´el´ements sont r´eunis afin d’obtenir un spectrom`etre THz efficace. Une trace THz typique obtenue grˆace `a ce
-2 0 2 4 6 8 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Ampl itude d u champ THz (u. a. ) Temps (ps) (a) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 10-3 10-2 10-1 100 Ampl itude de la FFT THz (u. a. ) Fréquence (THz) (b)
Figure 3.14 Trace (a) et contenu en fr´equence (b) du champ ´electrique dans la gamme THz provenant d’une paire d’antennes photoconductrices `a faible gap InGaAsP coupl´e `a un laser de 1550 nm.
nouveau montage est illustr´ee `a la figure3.14. Le spectre en fr´equence de cette impulsion THz, obtenu par transform´ee de Fourier, est illustr´e `a la figure 3.14b. Les sp´ecifications de ce type de spectrom`etre, en termes de largeur de bande et de rapport signal sur bruit au niveau de la trace temporelle et du spectre, sont donn´ees au chapitre6.
Grˆace `a l’ing´enierie du mat´eriau, la conception des antennes et l’int´egration dans le montage optique, il a ´et´e possible de d´evelopper un spectrom`etre THz avec une paire d’antennes photo- conductrices ´emetteur/d´etecteur coupl´ee `a une source compacte `a fibre optique ´emettant des impulsions laser `a 1550 nm.