Le carcinotron peut générer des puissances de plusieurs centaines de mW pour des fréquences inférieures à 200 GHz. La montée en fréquence peut se faire avec des chaines de multiplication (voir la partiec)). L’utilisation d’électro-aimants externes permet éga- lement l’augmentation en fréquence, mais rend le système moins compact. En 2007, une combinaison des deux types de montées en fréquence a été développée permettant d’at- teindre une puissance de 2.5µW à 1.9 THz [56]. Il existe d’autres sources se basant sur le déplacement libre d’électrons et l’effet Smith-Purcell comme les synchrotrons, les klys- trons, les lasers à électrons libres, etc.
b) Diodes et transistors
Les sources térahertz électroniques sont nombreuses et similaires aux oscillateurs électroniques classiques. Les oscillateurs électroniques sont des circuits fonctionnant
grâce à une instabilité. Cette instabilité peut se faire de différentes façons. Il est par exemple possible d’utiliser une diode particulière permettant de simuler une résistance négative. De cette façon, le circuit contenant la diode peut devenir un circuit LC parfait (sans pertes) et donc un oscillateur. Les diodes Gunn ont ce qu’on appelle une résistance différentielle négative (la courbe I de V présente une pente négative sur une partie de la courbe). Contrairement à une diode classique, celle-ci n’est dopée que de type N. Elle se divise en trois parties, les deux parties externes de la diode sont fortement dopées et la partie centrale l’est faiblement. Lorsque la diode est polarisée, les électrons se propagent normalement. Avec l’augmentation de la polarisation, les électrons montent en énergie et passent dans des bandes latérales. Dans ces bandes, la masse effective des électrons est plus élevée que dans la bande centrale ce qui a pour effet de diminuer le courant passant dans la diode. Ainsi, pour des tensions suffisamment importantes, on observe une résis- tance différentielle négative. Seuls certains matériaux comme le GaAs [57] ou l’InP [58] ont les caractéristiques nécessaires permettant l’apparition de cet effet Gunn . D’autres struc- tures imitant l’effet Gunn permettent également de générer des ondes térahertz [59]. Elles permettent de générer des ondes d’une puissance de l’ordre du mW à 300 GHz. D’autres diodes permettent de générer des ondes sub-térahertz comme la diodeIMPATT ou IM- Pact Avalanche Transit Time (IMPATT). Elle repose sur les phénomènes d’avalanches pro- voqués dans une jonction PN lorsqu’elle est fortement polarisée en inverse. Ces diodes permettent d’atteindre des fréquences allant de quelques centaines de gigahertz [60] à plus d’un térahertz [61]. La diodeRTD ou Resonant Tunneling Diode (RTD)est également diode à résistance négative candidate pour la génération d’ondes térahertz [62].
D’autres systèmes permettant de fabriquer des oscillateurs sont des circuits à base de transistors. Depuis leur invention par les laboratoires Bell dans les années 1940, les fréquences de transitions des transistors n’a eu de cesse d’augmenter. Actuellement, les transistorsHBT ou Heterojunction Bipolar Transistor (HBT)ont une fréquence maximale supérieure à 1.1 THz [63]. Les transistors ayant la plus haute fréquence maximale sont les transistorsHEMT ou High Electron Mobility Transistor (HEMT)qui culminent à plus de 1.5 THz [64]. Ces fréquences maximales d’oscillation définissent les fréquences maxi- males auxquelles ces transistors, associés à un circuit amplificateur, pourraient fonction- ner dans un oscillateur. En 2007, un oscillateur générant un signal à 311 GHz a été dé- veloppé avec un transistor HBT[65]. La même année, un autre oscillateur basé sur un transistorHEMTpouvant générer un signal à 346 GHz [66]. Aujourd’hui, l’oscillateur gé- nérant la fréquence la plus élevée permet d’atteindre plus de 1 THz [64] et utilise le tran- sistorHEMTprésenté ci-dessus.
Il a été également montré théoriquement que les transistors à effet de champ pour- raient produire des ondes térahertz en utilisant un autre phénomène [67]. En supposant que les électrons d’un transistor à effet de champ se comportent comme un fluide (eau peu profonde), la réflexion sur les conditions aux limites du transistor induisent une am- plification d’ondes plasma rendant instable le flux d’électrons. Cette instabilité peut créer des ondes térahertz. Beaucoup de tentatives ont été faites pour mesurer cet effet [68,69,
70] sur différentes structures de transistors à effet de champ. FATIMYet al. [70] ont, par
exemple, mesuré des pics d’émission à 0.75 et 2.1 THz dans un transistor HEMTen Al- GaN/GaN et ont interprété ces pics d’émission comme résultants de la théorie de DYAKO-
NOVet SHUR[67]. Au moment d’écriture de cette thèse, des recherches sont toujours en
cours pour montrer l’existence de ce phénomène.
solutions existent utilisant les sources électroniques comme première étape pour la mon- tée en fréquence : les chaines de multiplication.
c) Les chaines de multiplication
Une méthode pour la montée en fréquence des sources électroniques est la chaine de multiplication de fréquences. Elle se compose d’un synthétiseur de fréquences puis d’une chaine de multiplication en plusieurs étapes. Généralement, la fréquence générée par le synthétiseur est multipliée par 2 ou 3 par génération d’harmoniques, le signal est ensuite amplifié dans un amplificateur à transistors. S’en suit une cascade de multiplications par 2 ou 3 jusqu’à atteindre la fréquence désirée. Le synthétiseur de fréquences peut être l’une des sources citées dans la partie précédente, une diodeIMPATT, une diode Gunn ou en- core un carcinotron. L’avantage des multiplieurs de fréquences est la puissance relative- ment élevée qu’il est possible d’atteindre, quelle que soit la fréquence de sortie. Il est par exemple possible d’atteindre une onde dont la fréquence est entre 1.7 THz et 1.9 THz à partir d’un synthétiseur commercial délivrant une puissance de 100 mW et une chaine de multiplication à base de diodes Schottky [71]. Cette chaine a permis d’atteindre une puissance de 3µW à 1.74 THz. Les chaines de multiplication ont également pu atteindre une puissance de 1 mW dans la bande 840-900 GHz et même 2 mW à 882 GHz [72]. Pour leur taille, les chaines de multiplication sont des sources très puissantes par rapport aux autres sources électroniques et optoélectroniques disponibles. Cependant, elles ne sont accordables que dans la limite de l’amplificateur, des adaptations d’impédances et des guides utilisés. Un autre inconvénient est qu’elles doivent être refroidies pour fournir leur maximum de puissance.
1.2.4 Sources optoélectroniques
a) Photoconducteurs pour la génération d’impulsions
Il est possible de générer des impulsions térahertz à partir de semi-conducteurs et de lasers. En éclairant un semi-conducteur avec une impulsion optique, un courant transi- toire se crée dans le semi-conducteur et génère une impulsion térahertz ou sub-térahertz [73]. Les fréquences de l’impulsion térahertz dépendent notamment du temps de vie des porteurs photo-générés dans le semi-conducteur. Plusieurs matériaux peuvent être utili- sés pour cette application comme du graphène, de l’InGaAs ou encore du GaAs épitaxié à basse température. En 2004, un photoconducteur développé à partir de ce dernier ma- tériau a été développé et a permis d’avoir des spectres couvrant la bande 0.3-7.5 THz [74]. Plusieurs études ont été réalisées dans le but d’étudier les différents paramètres des structures des photoconducteurs. Il a par exemple été montré que le dopage au beryllium d’une structure multicouche d’In0.53Ga0.47As et d’In0.52Al0.48As épitaxiée à basse tempé- rature a une influence sur la dynamique du détecteur fabriqué à partir de ce photocon- ducteur [75]. Les photoconducteurs peuvent également être améliorés en intégrant une grille de conducteurs au niveau des électrodes pour diminuer la réflexion existante entre le milieu propageant l’impulsion optique et le semi-conducteur comme on peut le voir figure1.15[76].
Les photoconducteurs sont généralement intégrés à des antennes pour permettre l’émission dans l’air de l’impulsion térahertz. Ils sont notamment utilisés comme source