Techniques et matériels pour l'étude des LCQ

4.2.1.1 Montage et préparation de l'échantillon

Avant de pouvoir déterminer les caractéristiques du laser étudié, celui-ci doit être préalablement préparé pour les mesures. En général, les échantillons bruts se pré- sentent sous la forme d'une partie de wafer de quelques cm2 _{sur lequel sont disposés}

un ou plusieurs rubans lasers. Les échantillons étudiés ont généralement des lon- gueurs de cavité comprises entre 1 mm et 3 mm. La première étape consiste à cliver ce matériau à l'aide d'une pointe diamant de façon à ne conserver que la longueur souhaitée. Une fois clivé, la qualité des facettes formant les miroirs de la cavité op- tique est contrôlée à l'aide d'une loupe binoculaire ou d'un microscope. L'échantillon est ensuite positionné sur une embase en cuivre enduite d'or et monté sur celle-ci par brasure à l'indium. L'indium est porté à température de fusion (210 C) pour la brasure de façon à se répartir de manière homogène sous le substrat sous lequel est déposé une couche Ti/Au permettant ainsi une bonne dissipation thermique du LCQ vers l'embase. Puis, deux plots en alumine recouverts d'une couche d'or sont

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Figure 4.1  Visualisation au microscope électronique à balayage de LCQ à guide simple plasmon avec les connexions par microsoudure. Photo de A. Vasanelli. collés sur l'embase de chaque côté du LCQ et sont connectés électriquement aux bornes du LCQ par microsoudure (voir photo gure 4.1).

Ensuite, celui-ci est placé sur le doigt froid en cuivre d'un cryostat à ux continu de marque "Janis Research", préalablement enduit d'une couche de pâte thermique pour faciliter le transfert de chaleur. L'échantillon est maintenu de part et d'autre par des lamelles de cuivre permettant ainsi le contact et l'injection électrique dans le dispositif. Enn, il faut procéder au refroidissement de l'échantillon. Les LCQ THz ne fonctionnent qu'à basses températures et présentent des performances maximales aux températures de l'hélium liquide (4 K). Le cryostat est mis sous vide (10−5_mbar)

à l'aide d'une pompe turbo-moléculaire, puis l'échantillon est thermalisé jusqu'à 4 K.

4.2.1.2 Mesure de la caractéristique Luminescence-Courant-Tension Cette étape consiste à établir les caractéristiques du LCQ dans le but de connaitre le seuil d'émission laser, la plage d'émission en fonction du courant injecté et l'évo- lution de la puissance optique. Ces mesures sont couramment appelées L-I-V pour "Luminescence-Intensité-Voltage", c'est d'ailleurs ce terme qui nous utiliserons dans la suite. La gure 4.2 présente le montage utilisé pour mesurer ces caractéristiques. L'échantillon est aligné de façon à ce qu'une facette coïncide avec le foyer objet d'un miroir parabolique hors axe. Un second miroir parabolique permet de focaliser le faisceau issu du LCQ sur un détecteur pyroélectrique de marque "Spectrum Detector SPH". La tension en sortie du détecteur (proportionnelle à la puissance optique) est mesurée par une détection synchrone. Ce type de détecteur thermique étant assez

lent, la fréquence de référence pour synchroniser la détection ne peut pas excéder 40 Hz. Pour réaliser cela, le signal de sortie TTL (5V) d'un générateur basse fréquence avec une tension créneau de 40 Hz est utilisé d'une part comme référence pour la dé- tection synchrone et d'autre part comme "gate" pour le générateur d'impulsions. Ce dernier (modèle 8114A de marque "Agilent Technologies") sert à polariser le LCQ à une fréquence de 25 kHz avec un rapport cyclique de 25% (voir gure 4.2). Cela correspond aux conditions d'utilisation pour les mesures de gain (voir section 4.2.2). Le courant est mesuré à l'aide d'une sonde de courant. La tension aux bornes du LCQ ainsi que le courant sont mesurées par un oscilloscope numérique. L'ac- quisition des caractéristiques I-V et L-I est réalisée de manière automatisée par un programme Labview.

Cette étape est un préalable important pour vérier le bon fonctionnement du LCQ, pour connaitre la valeur du courant de seuil et de la plage de courant pour laquelle l'action laser a lieu, an d'étalonner les mesures par spectroscopie THz.

4.2.1.3 Couplage d'une impulsion THz dans un LCQ

Pour réaliser les mesures de gain, les impulsions THz doivent se propager dans la cavité du LCQ. Les impulsions THz issues d'une antenne photoconductrice doivent être couplées dans la cavité simple plasmon du LCQ étudié via l'une des facettes. Ce couplage se révèle dicile en raison des dimensions transverses du mode conné et de la cavité (d'une section transverse d'environ 10 µm x 200 µm) comparé aux longueurs d'ondes contenues dans l'impulsion.

La principale diculté du couplage réside dans le fait qu'une partie des impul- sions peut se coupler dans un mode se propageant dans le substrat et non pas dans la région active. Pour limiter cet eet et optimiser le couplage avec la région active, une plaque métallique munie d'un trou d'un diamètre de 200 µm correspondant en- viron à la largeur du ruban laser est positionnée devant l'une des facettes. La gure 4.3 illustre ce montage. Cette méthode présente également l'avantage de faciliter l'alignement du faisceau THz avec le LCQ. En connaissant le temps d'arrivée de l'impulsion transmise à travers le LCQ (estimé grâce à l'indice du matériau), il suf- t de maximiser, en ajustant la position du cryostat, l'amplitude du signal. Ainsi, un couplage susant pour les mesures est réalisé en maximisant l'amplitude de la trace temporelle transmise.

Un exemple de trace temporelle illustrant le couplage est présenté gure 4.4. Le signal autour de t= 0ps correspond au passage de l'impulsion dans l'air, plus précisément à travers la zone comprise entre le ruban laser et le trou d'alignement. Le signal indiqué à t = 24 ps environ correspond au passage de cette impulsion à travers un LCQ d'une longueur d'environ 3 mm, dans cet exemple. Usuellement,

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Figure 4.2  Montage expérimental pour la mesure des caractéristiques Luminescence-Courant-Tension d'un LCQ. Le LCQ est placé dans un cryostat (cube bleu). La puissance émise par le LCQ est mesurée par un détecteur pyroélectrique relié à un détection synchrone. Le système électrique permettant d'alimenter et de synchroniser les diérents éléments est constitué d'un générateur d'impulsions et d'un GBF synchronisés (voir schéma des impulsions électriques en bas). La tension et le courant (par une sonde) sont mesuré via un oscilloscope numérique.

Figure 4.3  Schéma du montage permettant d'optimiser le couplage des impulsions THz dans la zone active d'un LCQ.

avec cette technique, environ 5 % du signal provenant de l'antenne photoconductrice est couplée dans la zone active.