en résonance avec un LO-phonon vers un autre état électronique représenté en orange. La séquence est répétée 185 fois.
V.3.2 Caractéristiques LIV
La figure V.27 présente les caractéristiques Puissance-Tension-Courant du LCQ THz basé sur InP que l’on a utilisé. Cet échantillon, doté d’un guide double métal, fonctionne jusqu’à 110 K à 1 % de rapport cyclique. Pour garder une bonne puissance d’émission en évitant le refroidissement à l’hélium, nous avons travaillé à 77 K pour ces expériences.
L’échantillon sur lequel on a travaillé dans cette partie, est constitué d’un ruban de 1 mm de long et 160 µm de large. Nous avons pu calibrer la puissance émise à 77 K à environ 2 mW crête. Il est doté d’un guide double métal, qui nous permet de confiner à la fois le champ THz et le faisceau d’excitation NIR. Des couches InGaAs dopé (5e18 cm−3) de 50 nm et 100 nm assurent la jonction entre la zone active et les couches d’or de guide.
Figure V.27 – Caractéristiques Puissance-Tension-Courant à 77 K pour le LCQ THz basé sur InP.
V.4 Mélange d’ondes dans les LCQ THz
Les énergies d’excitaton télécom utilisées pour le mélange dans les LCQ THz sont situées autour de 1.55 µm, afin d’exciter de manière résonante les transitions électroniques proches du gap de InGaAs à 77 K, à 0.81 eV. Le mélange généré, SFG ou DFG, n’est décalé que de l’énergie THz, ici 17 meV. La figure V.28 montre la génération de la SFG dans un LCQ THz, comparée à la génération de la SFG dans un LCQ MIR, pour une même longueur d’onde d’excitation à 1.55 µm. La SFG issue d’un LCQ THz est générée proche de la pompe, dans le cas de la figure V.28 à 1520 nm, dans la même bande télécom entre 1.5 µm et 1.6 µm.
110 Chapitre V. Mélange d’ondes dans les LCQ basés sur InP
Figure V.28 – Génération de la SFG dans un LCQ THz basé sur InP, comparée à la génération de la SFG dans un LCQ MIR basé sur InP vue précédemment.
Nous avons pu étudié à la fois la génération de la SFG et de la DFG dans ce LCQ THz basé sur InP à 77 K. Les figures V.29 et V.30 montrent sur la partie supérieure la génération de la SFG (bleu) et de la DFG (rouge) générées pour différentes énergies de pompe représentées sur la partie inférieure. Pour ces expériences, c’est également le détecteur refroidi à -160°C à l’azote liquide qui est utilisé. On voit d’ailleurs que la détection de la différence de fréquences pour les plus faibles énergies de pompe est limitée par la réponse du détecteur, au-delà de 1.56 µm. Le décalage entre la pompe et le mélange est de 35 nm dans cette gamme télécom.
Figure V.29 – Génération de la SFG pour dif-
férentes longueurs d’onde de pompe. Figure V.30 – Génération de la DFG pour dif-férentes longueurs d’onde de pompe. La figure V.31 montre l’intensité de la DFG (noir) et de la SFG (rouge) tracée en fonction de l’énergie de pompe et de l’énergie de la SFG respectivement. On reconnait une partie
V.4. Mélange d’ondes dans les LCQ THz 111
croissante à mesure que la pompe est plus proche des meilleures conditions de résonance et la partie de rapide décroissance correspondant à l’absorption de la DFG ou de la pompe (pour la génération de la SFG). La figure insérée montre les premiers recouvrements électron-trou léger, calculés à partir des états de la structure de bandes reportée sur la figure V.32. Le premier recouvrement intense a lieu à 0.825 eV, entre les états LH1 et E4.
Figure V.31 – Intensité de la DFG (noir) et de la SFG (rouge) de fréquences en fonction de l’énergie de pompe (DFG) ou de l’énergie de la SFG. Inset, recouvrements électron-trou léger. On peut remarquer que le mélange de fréquences est détecté à partir de 0.8 eV, en dessous du gap à 77 K (0.81 eV). L’intensité de la SFG générée augmente d’abord lentement entre 0.8 et 0.81 eV avant de montrer une augmentation beaucoup plus rapide entre 0.81 eV et 0.815 eV. Le mélange d’ondes détecté à si basse énergie peut reposer sur des non-linéarités non-résonantes du massif (on verra d’autres démonstrations dans le chapitre suivant) ou sur des transitions diagonales. On peut voir sur la figure insérée de la figure V.31 qu’il existe de faibles recouvrements diagonaux à 0.81 eV. L’augmentation rapide débute lorsque l’énergie de la pompe (pour la génération de DFG) ou l’énergie de la SFG s’approche des résonances avec les premières transitions intenses à 0.825 eV (en considérant toujours un certain élar- gissement spectral). L’absorption limite la détection du mélange de fréquences dès 0.815 eV. Sans la diminution liée à l’absorption, l’intensité devrait continuer à augmenter, profitant de l’exaltation due à des conditions de résonances plus favorables.
La DFG est très faible jusqu’à une énergie de pompe de 0.808 eV, contrastant avec la génération de la SFG qui augmente plus tôt. Cette faible intensité de la DFG peut s’expliquer par la plus faible réponse du détecteur pour des énergies inférieures à 0.79 eV. En dehors de cette différence, les évolutions de la SFG et de la DFG sont très similaires, en fonction de l’énergie de pompe ou l’énergie de la SFG. L’absorption a lieu pour une énergie de pompe entre
112 Chapitre V. Mélange d’ondes dans les LCQ basés sur InP
0.813 et 0.82 eV, soit une énergie de la DFG de 0.796-0.803 eV. Cette énergie est inférieure à l’énergie du gap attendue pour 77 K (0.81 eV) (voir les discussions du chapitre précédent).
Figure V.32 – Structure de bandes du LCQ THz basé sur InP. Les états électroniques et les états trous légers sont représentés.
Nous avons montré dans cette partie la génération de SFG et DFG dans un LCQ THz basé sur InP. Nous nous sommes intéressés à l’évolution en fonction de l’énergie de pompe, retrouvant le comportement résonant attendu, limité par l’absorption.
On peut noter ici que grâce au fort confinement du champ THz dans le guide double métal, nous avons également réussi à observer la génération d’une bande latérale d’ordre 2 à une énergie Epompe + 2ET Hz. Nous n’avons pas approfondi plus ce point, déjà bien explicité dans
le travail précédent de Cavalié et al. [9] dans les LCQ THz basés sur des couches GaAs/AlGaAs.
V.5 Efficacité et χ
(2)Il est intéressant de comparer la valeur obtenue expérimentalement pour la susceptibilité non-linéaire dans les deux configurations présentées dans ce chapitre, le mélange d’ondes dans la gamme télécom dans des LCQ MIR et THz basés sur InP. On fera à nouveau l’hypothèse de négliger le désaccord de phase devant les pertes de pompe, dans les deux cas, avant de comparer les valeurs expérimentales aux prédictions théoriques et de conclure.
V.5.1 χ(2) par la mesure de l’efficacité
L’efficacité a pu être déterminée en mesurant d’une part l’intensité du mélange généré et d’autre part l’intensité de la pompe transmise sur la caméra. Celle-ci a été obtenue pour le maximum de génération de la SFG dans le LCQ THz basé sur InP à 77 K pour une excitation à 1.555 µm et une génération à 1.52 µm. On a mesuré une efficacité ηT Hz = 2e-5. Cette valeur
est plus faible que l’efficacité obtenue précédemment dans les LCQ THz basés sur GaAs, mais elle dépend de la puissance du LCQ, des pertes... Il est donc plus pertinent de comparer les