Les semiconducteurs usuels employés en photomélange sont à base d’AsGa qui absorbe à des longueurs d’onde optiques inférieures à 874 nm (Eg= 1,42 eV) [194], notamment l’AsGa-BT [54], [165], [157] et l’ErAs :GaAs [156], [157], [184]. Les lasers à Ti :Saphir sont tout à fait adaptés à l’excitation de tels matériaux. Il est également possible d’utiliser des diodes lasers afin de rendre l’expérience plus compacte au prix d’une accordabilité moindre. Ici, nous proposons des photomélan-geurs excités à des longueurs d’onde de 1,55 µm pour bénéficier de l’environnement technologique des télécommunications comme les lasers accordables fibrés ainsi que les amplificateurs qui doivent rendre le montage plus pratique, moins coûteux et plus compact. A 1,55 µm, l’AsGa-BT est trans-parent. Un pompage optique à des longueurs d’onde plus importantes nécessite de ce fait d’autres matériaux de bandes interdites plus faibles, et possédant des caractéristiques similaires à celles de l’AsGa-BT en terme de mobilité, des temps de vie des porteurs photogénérés, de champ de claquage et de courant d’obscurité. En particulier l’introduction d’indium (In) dans l’AsGa permet l’absorption de longueur d’onde plus grande. La possibilité d’utiliser l’In0.3Ga0.7As-BT a été exploitée à 1.06 µm en régime impulsionnel avec un spectre qui s’étend au-delà de 2 THz [195] et en régime continu à 1,03 µm avec une antenne dipôle obtenant une bande passante à 3 dB de 500 GHz et une puissance estimée de 20 nW à 690 GHz [196]. Un photomélangeur basé sur l’InGaAs-BT (Eg=0,75 eV - 1,65 µm) a été récemment utilisé à une longueur d’onde d’excitation de 800 nm. Il génère une puissance moindre de 15 dB comparée à un dispositif utilisant l’AsGa-BT [197]. La génération THz par photomélange, sous excitation à 1,55 µm a déjà été utilisée dans des photoconducteurs en ErAs :In0.53Ga0.47As avec une bande passante à 3 dB de 200 GHz avec plus de 0.1 µW à 100 GHz [198]. Cette génération à 1,55 µm a été également obtenue dans des diodes à porteur de charge unique (Uni Travelling Carrier) avec une puissance de 2,6 µW à 1 THz [199]. Suzuki et al ont récemment reporté une génération THz en utilisant une antenne basée sur le In0.53Ga0.47As avec implantation d’atomes de fer et des impulsions optiques à 1,56 µm [200].
2.4.1 Caractéristique du photomélangeur
C’est à l’initiative de l’Institut d’Electronique Fondamentale (IEF) de Paris XI que nous avons caractérisé un photomélangeur basé sur In0.53Ga0.47As irradié par des ions lourds. L’ensemble de la technologie a été réalisé à l’IEMN dans le cadre de la plate-forme RTB (Recherche Technologique de Base) et ces dispositifs ont été testés en collaboration au sein du LPCA [201], [202]. L’irradiation par des ions lourds dans ce matériau réduit le temps de vie à des durées subpicosecondes [203]. Une couche non dopée de In0.53Ga0.47As (dopage résiduel type n) de 1 µm d’épaisseur est épitaxiée par
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jet moléculaire sur un substrat semi-isolant d’InP dopé Fer, puis bombardée par des ions lourds Br+ de haute énergie (11 Mev) à 4 · 1011 cm−2. Ce semiconducteur a déjà été utilisé en spectroscopie
résolue en temps où la largeur de l’impulsion THz a été mesurée à 700 fs avec un spectre qui s’étend au-delà de 2 THz [204]. Dans notre cas, l’antenne spirale employée est identique à celle utilisée en photomélange avec le AsGa-BT (partie 2.3) d’impédance de Ra=73 Ω puisque = 12, 35 et de
capacité C≈ 1 fF.
2.4.2 Mesure du photocourant.
Le photomélangeur a été testé sans illumination jusqu’à une tension de 3,1 V. A 2 V, le courant d’obscurité est de 430 µA. La résistance moyenne d’obscurité, déduite du courant d’obscurité, est estimée à 5,1 kΩ. La tension maximale atteinte de 3,1 V correspond à un champ de claquage de ≈
0,17× 105 V· cm−1 pour un espace inter-électrode de 1,8 µm. Cette valeur est d’un ordre de
gran-deur supérieur à ce même matériau non irradié. Cependant il est environ 30 fois plus faible que pour l’AsGa-BT ce qui explique la plus faible tension appliquée aux bornes des électrodes. Le temps de vie a été estimé à 0,41 ps et la mobilité statique, mesurée par effet Hall, est de 490 cm2V−1 s−1, soit un facteur1/2 par rapport à l’AsGa-BT utilisé pour les photomélangeurs à 800 nm. La fréquence de
coupure associée au temps de vie est de 390 GHz alors que celle calculée à partir de la constante RaC est de 1,1 THz.
Deux diodes lasers émettant autour de 1,55 µm ont été utilisées pour caractériser les photomé-langeurs sous illumination. Les deux lasers opèrent à température ambiante dont l’un est accordable par pas de 12,5 MHz. Les faisceaux lasers sont superposés spatialement grâce à un coupleur fibré monomode et la puissance totale est injectée dans un amplificateur dopé erbium. Le maximum de puissance disponible est de 40 mW. Le faisceau optique est ensuite focalisé sur l’antenne à tester. La polarisation est réglée pour optimiser le signal par des boucles de Legendre. La tension appliquée à l’antenne spirale est modulée en carré à 210 Hz. Le rayonnement est ensuite précollimaté par une lentille en silicium accolée sur la face arrière du substrat puis focalisé par un miroir parabolique (f=60 mm) sur le bolomètre refroidi à 4 K dans une configuration quasi-identique à celle réalisée précédem-ment à 800 nm afin de comparer le mieux possible les performances des deux dispositifs. La largeur de raie du battement a été mesurée en faisant le battement sur une photodiode rapide connectée à un analyseur de spectre (rf). La largeur de raie est inférieure à 3 MHz avec des fluctuations rapides de 10 MHz.
La figure 2.12 illustre l’évolution du courant statique avec la tension jusqu’à 1,7 V pour une puissance optique de 30 mW. Comme pour les dispositifs en AsGa-BT, deux régimes de conduction apparaissent. Le premier est linéaire entre 0 et 1 V, et s’explique par le comportement ohmique du dispositif. Le second peut être expliqué par les différentes hypothèses évoquées dans la partie 2.3.1.2. La réponse de l’antenne est de 3,1 mA·W−1à 1,7 V.
FIG. 2.12 –Comportement ohmique du photomélangeur pour une puissance optique de 30 mW.
2.4.3 Évolution de la puissance avec la tension et la puissance optique.
La figure 2.13 montre la dépendance du signal détecté à 500 GHz avec la tension pour une puis-sance de 30 mW. A cette même fréquence, l’évolution du signal avec la puispuis-sance optique est montrée à la figure 2.14 pour une tension de 1,2 V. La puissance des deux lasers est toujours identique (P1=P2). Sur ces deux figures sont tracés des ajustements par une forme parabolique en pointillé en accord avec la relation 2.13 : PT Hz ∝ I2
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FIG. 2.13 –Signal détecté par le bolomètre mesuré à 500 GHz en fonction de la tension pour une puissance optique fixée à 30 mW.
FIG. 2.14 –Signal détecté par le bolomètre mesuré à 500 GHz en fonction de la puissance optique pour une tension fixée à 1,2 V.
2.4.4 Réponse en fréquence.
La figure 2.15 illustre l’évolution de la puissance THz à différentes fréquences THz avec une ten-sion de polarisation de 1.7 V et une puissance optique de 30 mW (2x15 mW). La fonction de transfert pour une antenne spirale déposée sur l’AsGa-BT (τ =340 fs), excitée par une puissance de 30 mW et polarisée par une tension de 14 V, est superposée à cette figure (figure 2.9) pour comparer l’étendue spectrale et la puissance du rayonnement émis. Dans les deux cas, les conditions expérimentales sont proches de la rupture du dispositif et les valeurs des temps de vie des porteurs sont quasi-identiques. En utilisant la réponse du bolomètre, une puissance maximale (à 200 GHz) de 2,6 nW est déduite, environ 17 fois (21 fois) moins intense que la puissance générée par une antenne en AsGa-BT avec un temps de vie de 340 fs (1,2 ps). De 190 GHz à 800 GHz, la puissance détectée de l’échantillon In0.53Ga0.47As diminue avec une pente de 6 dB/octave attribuée au temps de vie des porteurs. La fré-quence de coupure mesurée à 3 dB est de 300 GHz, valeur proche de celle calculée (390 GHz). Un plateau est observé entre 600 GHz et 800 GHz qui n’est à présent pas expliqué. Autour de 1 THz, la puissance détectée diminue à cause de la présence de molécules d’eau sur le trajet THz [193]. Sur tout le spectre, le signal détecté issu du photomélangeur en In0.53Ga0.47As bombardé est environ 15 dB moins intense que celui émis par le dispositif en AsGa-BT. La différence s’explique par la possibi-lité de polariser plus fortement le photomélangeur à 800 nm ainsi que par une mobipossibi-lité de l’AsGa-BT plus importante. La relative faible puissance explique la limitation de la couverture spectrale.
FIG. 2.15 – Signal détecté par le bolomètre en fonction de la différence de fréquence entre les deux lasers pour une puissance optique de 30 mW et une tension de 1,7 V.
Les photomélangeurs excités à 1,55 µm sont pratiques à utiliser puisque les diodes lasers sont largement accordables et émettant des puissances élevées. Grâce à la possibilité de fibrer l’ensemble
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de l’expérience, le montage peut être compact. Cependant les niveaux de puissances et les fréquences ultimes atteintes ne sont pas encore aussi performantes que ceux générés par les photomélangeurs à 800 nm. Dans toute la suite, les photomélangeurs à 800 nm seront exploités pour faire des mesures spectroscopiques.