Couplage du rayonnement Térahertz

Diagramme de rayonnement

Une fois le rayonnement Térahertz généré dans le photomélangeur et rayonné par l’antenne dans le substrat AsGa, celui ci doit être couplé aux modes de pro- pagation en air libre. Plusieurs phénomènes causant des pertes dans la quantité de rayonnement effectivement utilisable sont alors à circonvenir.

On constate tout d’abord en regardant un diagramme de rayonnement [130] que l’antenne émet dans les deux directions hors du plan de la spirale. L’effet de l’indice du substrat AsGa implique un lobe de radiation plus important du coté diélectrique que du coté air [131, 132] (FIG. 2.26). Le rapport de puissance entre rayonnement dans le substrat et rayonnement dans l’air est de ε32

r (avec εr ≈ 13

pour AsGa) [133].

La partie du rayonnement émise dans le plan d’incidence des faisceaux infra- rouges est donc perdue pour la spectroscopie. On constate aussi que l’angle pour lequel le rayonnement peut s’extraire de AsGa est très faible, de l’ordre de 30° [134]. Une grande majorité de l’onde THz créée reste donc piégée dans le sub- strat par réflexion totale et est inutilisable. Une méthode facilement applicable pour s’affranchir de ce problème est l’adjonction, en contact du substrat du pho- tomélangeur, d’une lentille sphérique en matériau d’un fort indice, comme le silicium haute résistivité (nsi= 3.41) [135].

Lentilles hémisphériques

La lentille silicium accolée au substrat AsGa permet d’agir sur ces deux points. Elle donne tout d’abord une direction privilégiée de propagation au rayonnement THz. Cette lentille permet aussi de se libérer des contraintes de réflexion totale

FIG. 2.26: Diagramme de rayonnement normalisé en champ lointain d’une an-

tenne spirale placée à l’interface entre un diélectrique de type AsGa et l’air [129]. On observe ici le rayonnement émis dans l’AsGa, la faible partie du rayonnement émise du coté air est négligée.

causées par le substrat. Ceci se traduit par une augmentation d’un facteur n2_si du gain de l’antenne [136] et donc de la puissance de signal rayonnée dans la direction de la lentille. Plusieurs géométries de lentille sphériques existent, qui suivant leurs dimensions occasionnent un comportement du rayonnement Téra- hertz différent .

FIG. 2.27: Lentille sphérique de rayon R collée au substrat du photomélangeur

de largeur d. Suivant D on obtient différents types de propagation du rayonne- ment Térahertz, en (a) Lentille de type collimatrice et en (b) Lentille de type hyperhémisphérique.

Les lentilles collimatrices : Cette lentille est définie par la relation [137] D= R( n

n_{− 1}) (2.32) Où D (FIG. 2.27) représente la distance entre l’antenne du photomélangeur et l’extrémité de la lentille et n l’indice de la lentille. Une lentille en silicium haute résistivité est donc dite collimatrice si D = 1.41R. L’application de la loi de Descartes à ce type de lentille montre qu’elle laisse piégée une partie du rayon- nement Térahertz par réflexion totale (FIG. 2.27 (a)). Le faisceau de sortie de lentille collimatrice est convergent et donc plus facilement utilisable, mais il présente des aberrations du front d’onde [137, 138] qui semblent par la suite peu compatibles avec un couplage gaussien efficace dans une cellule de spectrosco- pie.

Les lentilles hyperhémisphériques : La lentille hyperhémisphérique est un cas particulier de lentille hémisphérique. Dans le cas de cette lentille on a :

D= R(n+ 1

n ) (2.33) D= 1.29R

La lentille hyperhémisphérique [137, 138] donne lieu à un faisceau THz en sor- tie divergent (FIG. 2.27(b)). Il est donc nécessaire de le recollimater pour l’uti- liser ensuite. Cette géométrie de lentille évite d’après la loi de Descartes toute réflexion interne. L’utilisation d’une lentille silicium haute résistivité de cette na- ture permet donc de s’affranchir des effets d’aberrations du front d’onde en sortie de lentille ce qui occasionne un couplage Gaussien supérieur à 80 % [135, 139]. Dans le cadre de notre spectromètre nous avons opté pour ce type de géométrie qui semble plus performante. Cette lentille permet d’utiliser au mieux le rayon- nement Térahertz.

Choix expérimental.

Dans le cadre du dispositif expérimental de ce spectromètre nous disposions de lentilles de dimensions différentes (D = 3.22mm, D = 4.22mm et D = 5.33mm pour respectivement R = 2,5mm, R = 4mm et R = 4.75mm). La lentille de rayon 2.55 mm accolé au substrat AsGa du photomélangeur d’épaisseur 0.5 mm don- nant une configuration collimatrice a été abandonnée.

Les deux autres lentilles rentrent dans la catégorie des lentilles hémisphériques. L’étude du caractère Gaussien de l’onde générée dans cet ensemble lentille/substrat

a montré une décroissance avec l’augmentation du rapport (D−R)/R [135, 140]. Ce phénomène nous a poussé à choisir l’utilisation de la lentille de rayon 4mm donnant un faisceau moins directif mais avec un meilleur couplage Gaussien. Pour l’optimisation du couplage du rayonnement Térahertz il est à noter le pos- sible problème lié au support de la lentille permettant l’accolement avec le sub- strat et donnant la possibilité de déplacer l’hémisphère sur celui-ci en XY. Les dimensions de ce support rendent possible un effet écran sur le rayonnement émis en sortie de lentille, à l’heure actuelle difficilement contournable.

2.5.4 Facteurs influençant l’efficacité de génération de

rayonnement Térahertz.

Plusieurs facteurs apparaissent comme très importants dans la bonne marche du photomélangeur et dans son utilisation de manière optimum.

Limitations liées au photomélangeur

Le substrat AsGa sur lequel est inscrit le photomélangeur dissipe mal l’énergie thermique [141]. A 290 K son module de conductivité est de 0.46W.cm−1_K−1_.

Celui de l’AsGa BT est encore plus faible à ∼ 0.15W.cm−1_K−1 _{[142]. Une}

trop grande puissance optique incidente est donc à même de le détruire par effet Joule. La puissance Joule dissipée dans le semiconducteur donnée par la formule (2.24) est un facteur limitant de la puissance de rayonnement Térahertz généré (2.26).

Un compromis est donc à trouver entre puissance de signal incident, tension d’alimentation et puissance de signal rayonné. Les différentes expériences ont confirmé que la tension maximum utilisable dépend du type de photomélangeur utilisé (donc de τ) et de la puissance optique incidente. Pour évaluer la puissance Joule seuil, on considère un photomélangeur de temps de vie de porteur τn=

320 f s, ayant une mobilité de porteurs de l’ordre de µ = 500cm2_V−1_s−1_[125].

Expérimentalement on constate que la tension de polarisation des photomélan- geurs ne doit pas dépasser 15V continu pour une puissance typique de 20 mW pour chaque faisceau infrarouge. Au delà de cette tension le photomélangeur est endommagé. Les rayons de col des faisceaux infrarouge incidents sont éva- lués sur le peigne interdigité à 1µm. A partir de la formule (2.24) on peut alors évaluer la puissance Joule maximum dissipable dans le semiconducteur

Taille et polarisation des faisceaux infrarouge :

Taille du faisceau Les caractéristiques des rayonnements infrarouges utilisés en photomélange sont des facteurs importants dans l’efficacité de génération de rayonnement THz.

Dans l’expression (2.26) de la puissance de rayonnement Térahertz généré inter- vient le coefficient m de recouvrement de deux faisceaux. La superposition spa- tiale des deux faisceaux infrarouges est donc garante d’une efficacité maximum de la génération de rayonnement par différence de fréquences. Un grand soin est apporté aux alignements optiques des faisceaux infrarouges afin de maximiser ce recouvrement.

Il est important que la taille des faisceaux focalisés sur le peigne interdigité soit compatible avec l’échelle de celui-ci. Si les faisceaux sont trop larges, la surface active A de l’expression (2.26) augmente. L’efficacité de génération du rayonne- ment s’en trouve diminuée (FIG. 2.28).

FIG. 2.28: Simulation de la puissance de rayonnement émis à 0.7 THz (noir),

1 THz (rouge) et 1.4 THz (bleu) en fonction de la surface illuminée par les faisceaux lasers superposés sur le peigne interdigité. Plus la taille du spot focalisé sur le peigne est grande, plus la puissance émise diminue.

Une possibilité pour contrôler la taille du spot de focalisation sur le peigne est bien entendu de choisir une lentille de focalisation de focale très courte, de

l’ordre de quelques mm. Les prévisions que nous avions pu faire sur la taille du faisceau à partir des données de propagation et de rayon de ceinture en sortie de diodes nous donnaient pour les faisceaux arrivant sur la lentille des tailles de l’ordre de 1944 µm pour DLCE1 et 2000 µm pour DLCE2. Dans le cas de notre montage on dispose d’une lentille asphérique ayant une distance focale de 3.5 mm, ce qui laisse prédire une taille de la tache de focalisation de l’ordre de deux microns (rayon de col de 1µm).

Pour confirmer cette attente nous avons réalisé une cartographie du rayonnement détecté par un bolomètre InSb directement à la sortie du photomélangeur. Cette cartographie relie la tension de signal détectée pour un rayonnement émis à 267 GHz à la position du spot laser focalisé sur le peigne interdigité du photomé- langeur (FIG. 2.29). La cartographie permet de visualiser la surface du peigne interdigité de 8µm × 8µm , seule zone où du rayonnement est émis.

FIG. 2.29: Tension de signal détecté sur bolomètre InSb pour une génération de

rayonnement à 276 GHz par photomélange en fonction de la position du spot laser sur le peigne interdigité.

La figure nous montre donc deux maxima de rayonnement généré ce qui, rap- porté aux dimensions du peigne, indique que la taille du spot laser focalisé est plus grande que 2µm. En effet une taille de spot de 2µm ou inférieure devrait permettre de voir pour chacun des bras du peigne interdigité un maximum [127]. On constate ici l’intérêt d’avoir une platine pour le photomélangeur qui permet

de faible déplacement du spot infrarouge afin d’optimiser la puissance de rayon- nement générée.

Sensibilité à la polarisation Enfin l’aspect du peigne interdigité laisse prévoir une sensibilité de l’émission du photomélangeur à la polarisation des faisceaux lasers. Cette sensibilité a pu être constatée expérimentalement, un grand soin a donc été apporté au contrôle de la polarisation des faisceaux infrarouges. Le positionnement d’une lame d’onde sur le trajet des faisceaux infrarouges super- posés a permis de définir la polarisation idéale. Les meilleurs résultats ont été enregistrés pour une polarisation de type horizontale (Polarisation de type p). La puissance générée pour un état de polarisation de la lumière verticale a été évaluée à basse fréquence (250 GHz) à 60% de celle générée par un rayonne- ment polarisé horizontalement. C’est donc une polarisation horizontale qui est exploitée dans notre montage expérimental.