2.6 Caractérisation du photomélangeur
2.6.1 Comportement du système de différence de fréquences
Montage expérimental.
Les photomélangeurs utilisés ont été testés pour vérifier leurs caractéristiques théoriques. Pour cela, nous avons utilisé le schéma expérimental de la figure (FIG. 2.30).
Les fréquences d’émissions des diodes lasers sont mesurées par un analyseur de spectre optique. Les faisceaux de diodes sont spatialement superposés et focali- sés sur le photomélangeur. Le hacheur mécanique permet de moduler à 300 Hz les faisceaux infrarouges incidents sur le photomélangeur dont les puissances sont contrôlées par puissance-mètre. Le détecteur utilisé pour le rayonnement Térahertz est de type Bolomètre InSb refroidi à 4K à hélium liquide de taux de réponse 3.62kV .W−1. Les relevés de tension de signal détectée sont faits grâce
à une détection synchrone à laquelle est relié le bolomètre. Réponse optique et électronique du photomélangeur.
La formule (2.26) régissant la puissance de rayonnement Térahertz émise permet de visualiser les dépendances caractéristiques d’un photomélangeur. On constate des dépendances quadratiques de la puissance THz généré.
Dépendance quadratique en courant Le rayonnement infrarouge incident sur le peigne interdigité polarisé par une tension VB entraîne la création de porteurs
de charge dans AsGa. Ces porteurs vont faire apparaître un photocourant continu circulant dans le photomélangeur Iph. La puissance rayonnée par l’antenne peut
alors être exprimée en fonction de ce photocourant. A partir de l’équation (2.25), on pose G0 le terme continu de la conductance du photomélangeur qui permet
d’exprimer Iph en fonction de la tension de polarisation de peigne interdigité.
G0= qµητn rhν√A
(2.34) Iph= G0VB (2.35)
On exprime alors la puissance rayonnée par l’antenne en dessous de la puissance Joule seuil comme
Pout(ωd) = 2RLI2ph
mP1P2
[1 + (ωdτn)2][1 + (ωdRLC)2]
(2.36) La puissance Térahertz rayonnée est donc dépendante de manière quadratique au photocourant généré dans le peigne du photomélangeur. Pour vérifier cette dépendance, on fait varier de 0 à 10 Volt la polarisation d’un photomélangeur de temps de vie de porteurs τn= 320 f s, sur lequel on focalise les deux faisceaux
infrarouges avec des puissances de 20 mW chacun. La puissance THz rayonnée en fonction du photocourant circulant dans le photomélangeur a été enregistrée à 266 GHz, 445 GHz et 1037 GHz (FIG. 2.31).
FIG. 2.31: Puissance de rayonnement émis par photomélange à (a)266 GHz
(b)445 GHz (c)1037 GHz, en fonction du photocourant circulant dans le pho- tomélangeur.
On constate des courbes de coefficient de l’ordre de 1.7. Il y a donc un léger dé- calage entre le comportement théorique et expérimental du photomélangeur en fonction du photocourant circulant. La dépendance quadratique de la puissance rayonnée est atténuée par un offset de photocourant d’obscurité qui augmente avec la tension de polarisation. Ce phénomène permettrait d’expliquer ce déca- lage
Dépendance quadratique en puissance optique L’équation (2.26) prédit de même une dépendance du rayonnement généré en fonction des puissances op- tiques incidentes sur le photomélangeur. Cette dépendance a aussi été vérifiée en enregistrant la variation de puissance rayonnée par le photomélangeur à 266 GHz et 1037 GHz en fonction de la puissance optique incidente. On polarise un photomélangeur de temps de vie τn= 320 f s à 10 Volt continu et on fait varier
les puissances optiques incidentes P1 et P2 en conservant pour chaque mesure
P1= P2.
Une dépendance quadratique nette est confirmée par les relevés du graphique (FIG. 2.32)
FIG. 2.32: Dépendance quadratique de la puissance rayonnée par le photomé-
langeur à (courbe bleue) 266 GHz et (courbe violette) 1037 GHz en fonction de la puissance optique P0incidente
Dépendance de la puissance du rayonnement THz émis.
Nous avons caractérisé nos photomélangeurs en terme de puissance suivant la fréquence de rayonnement. L’écart de fréquence des diodes infrarouges est ta- bulé (TAB. 2.2) pour obtenir une fréquence d’émission déterminée. Celui-ci est lors des relevés de puissance contrôlée par un analyseur de spectre optique.
Longueur d’onde DLCE 1 Longueur d’onde DLCE 2 ∆λ(nm) Fréquence d’émission du photomélangeur ωDCLE 820.360 nm 821.360 1 0.445 THz 820.360 nm 822.360 2 0.889 THZ 820.360 nm 823.360 3 1.332 THz 820.360 nm 824.360 4 1.774 THz 820.360 nm 825.360 5 2.215 THz
TAB. 2.2: Tabulation de quelques fréquences d’émission du photomélangeur
ωDCLEen fonction de la longueur d’onde d’émission des deux diodes infrarouges
sources.
Lors de ce relevé, le photomélangeur est polarisé continûment à 10V et les puis- sances optiques incidentes sont pour chaque différence de fréquences de 20mW
pour les deux diodes lasers. Le photomélangeur ainsi caractérisé est de temps de vie 320 f s. Le comportement en fréquence du photomélangeur est reproduit sur le graphique (FIG. 2.33)
FIG. 2.33: Puissance de rayonnement Térahertz en sortie de photomélangeur de
temps de vie de porteur 320 f s en fonction de la différence de fréquence des sources infrarouges.
La plage de fréquence de 100 GHz à 2.5 THz est donc couverte en émission avec un photomélangeur de temps de vie de porteur de 320 f s. Partant de environ 0.1 µW à basse fréquence la puissance de signal rayonnée décroît à une dizaine de nanoWatt à 1 THz pour finir aux alentour de 2 nW à 2.5 THz.
Les mesures de puissances ont alors été comparées au comportement idéal d’un photomélangeur de caractéristiques similaires modélisé par les équations (2.26) et (2.24) [127]. Les caractéristiques du photomélangeur de temps de vie de por- teur 320 f s, polarisé à 10V (coefficient de réflexion de AsGa R = 0.32, largeur de photomélangeur r = 8µm, mobilité des porteurs µ = 500cm2V−1s−1) permettent
de réaliser d’après l’équation (2.26) une estimation de la puissance maximum rayonnée selon la fréquence. Pour cela on fixe
– Un taux de recouvrement moyens des faisceaux m = 0.75
– Une aire active estimée A = 0.70 × 10−11m2 correspondant à un rayon de col
sur le peigne du photomélangeur de 1.5µm
– Une résistance d’antenne RL= 72Ω et une capacité du peigne interdigité C =
Nous avons ainsi pu comparer les performances réelles et attendues d’un photo- mélangeur de temps de vie de porteur 320 f s (FIG. 2.34).
FIG. 2.34: Comparaison entre (a) le comportement idéal d’un photomélangeur
de temps de vie de porteur τ = 320 f s et (b) la puissance de rayonnement expé- rimentalement mesurée .
Le taux de décroissance de -6dB/octave [124] du rayonnement en fonction de la fréquence est retrouvé dans la simulation et dans l’expérience. Il peut être expliqué en regardant l’équation (2.36). En effet les deux termes qui vont jouer sur la fréquence de coupure du photomélangeur sont le temps de vie des porteurs et la constante RC de l’antenne. La fréquence de coupure de l’antenne n’étant pas encore atteinte la décroissance est uniquement due au terme de temps de vie de porteurs.
Les puissances mesurées sont inférieures aux puissances simulées. Ceci est tout d’abord explicable par la simplicité du modèle utilisé pour la simulation. En effet notre modèle ne prend pas en compte la contribution des trous où encore les ef- fets de limitation de vitesse des porteurs de charges [129, 143] où encore les pos- sibles effet d’ombres portées par les bras métalliques du photomélangeur [127]. Le problème du couplage optique du rayonnement infrarouge sur le peigne in- terdigité et de l’effective superposition des faisceaux infrarouges est une cause possible de différence, bien qu’un grand soin ait été mis dans l’optimisation de ce processus. Enfin la difficulté du couplage du rayonnement Térahertz avec les modes de propagation dans l’air libre avec la lentille silicium haute résistivité peut aussi permettre d’expliquer les différences de puissances constatées.
Le comportement du photomélangeur est validé pour sa mise en oeuvre dans le spectromètre.