VI.1.1 Caractéristique du LCQ L773
Dans ce chapitre, nous revenons vers un LCQ basé sur des puits GaAs/AlGaAs. Le LCQ THz que nous avons utilisé pour ces expériences a été précédemment employé par l’équipe pour démontrer la génération de bandes latérales d’ordre supérieur [9]. La croissance originale de ce LCQ THz (de code L773) s’appuie sur une transition diagonale et une dépopulation par
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LO-phonon. Elle émet à 2.7-3 THz et elle est issue de la référence [22]. La structure de bandes est représentée sur la figure VI.1. On retrouve en vert l’état injecteur qui peuple l’état haut de la transition (en bleu). La transition diagonale a lieu vers l’état bas (en rouge) en émettant un photon de 12 meV soit une longueur d’onde d’environ 100 µm. La dépopulation est mixte, impliquant deux état couplés et une extraction par un LO-phonon. La séquence est répétée 180 fois.
Figure VI.1 – Structure de bandes du LCQ L773, la séquence de croissance est : 5.5/11.0/1.8/11.5/3.8/9.4/4.2/18.4 nm. Les couches barrière de Al0.15Ga0.85As sont mar- quées en gras et les couches puits de GaAs sont en écriture normale. Les couches dopées type n en Si (n = 2e16cm−3) sont soulignées.
La croissance de cet échantillon a été réalisée par nos collaborateurs à l’université de Leeds en Angleterre et le procces de ce LCQ a été réalisé par nos collaborateurs de l’IEF à Orsay.
La caractéristique Puissance-Tension-Courant du LCQ L773 est présentée sur la figure VI.2, en fonction de la densité de courant. Le seuil de cette structure est bas vers 150 A/cm2. L’échantillon dont les caractéristiques sont présentées ici a une cavité de 3 mm de long et un ruban de 150 µm de large. On a travaillé à 10 K à un rapport cyclique de 30 % (6 µs et 50 kHz). Nous avons pu calibrer la puissance crête émise à 4.5 mW. Compte tenu du guide double métal, on évalue le coefficient de réflexion sur les facettes à 0.9 et on peut supposer que la puissance mesurée correspondant à 10 % de la puissance THz disponible à l’intérieur de la cavité.
Pour affiner la description de cet échantillon, on peut noter que la zone active a une épaisseur totale de 11 µm. Entre la zone active et la couche supérieure d’or, a priori toutes les couches de GaAs dopé et la couche d’arrêt de AlGaAs servant au transfert pour le process double métal ont été retirées. Entre la zone active et la couche inférieure d’or se trouve une couche de 50 nm de GaAs dopé (5e18 cm−3).
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Figure VI.2 – Caractéristique Puissance-Tension-Courant pour le LCQ L773 à 10 K, en fonction de la densité de courant. L’axe de gauche reporte la tension et l’axe de droite la puissance.
VI.1.2 Ouverture gravée à la surface du LCQ
Comme on l’a vu, ce LCQ présente de bonnes caractéristiques de puissance à basse tempé- rature. Il est doté d’un guide double métal, ce qui est très favorable pour un fort confinement du champ THz dans la cavité et pour la géométrie en réflexion que l’on souhaite mettre en place.
La couche supérieure de métal sert non seulement pour l’alimentation électrique mais aussi comme guide d’ondes plasmonique pour confiner le champ THz du LCQ. Il faut donc être prudent pour graver une ouverture dans la couche supérieure d’or, afin de ne pas diminuer le confinement du champ THz et les performances du LCQ. Néanmoins, pour une même puissance surfacique d’excitation, plus la surface éclairée est importante, plus le mélange de fréquences généré sera important. On va donc travailler sur l’ingénierie de fentes à graver sur le dessus du LCQ permettant un compromis entre le confinement du THz et la surface éclairée.
La configuration la plus simple serait de graver une seule fente au centre. J’ai mené des simulations 2D (à l’aide de COMSOL) du champ THz dans la cavité du LCQ muni de cette fente, elles sont présentées sur la figure VI.3. On voit en haut le mode fondamental et en dessous le mode excité où le champ THz est confiné de part et d’autre de la fente. La figure VI.4 montre les simulations 2D d’une autre configuration proposée, avec deux fentes gravées à la surface. Pour réaliser le mélange de fréquences, il est nécessaire d’avoir un recouvrement spatial entre le mode THz et le mode NIR. Que le LCQ fonctionne sur le mode fondamental ou sur le mode excité, la configuration à deux fentes assure un recouvrement spatial entre NIR et THz sous la fente excitée, cette configuration est plus favorable.
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Figure VI.3 – Simulations 2D du champ THz dans la cavité d’un LCQ double- métal muni d’une fente gravée sur la sur- face. Haut : mode fondamental. Bas : mode excité.
Figure VI.4 – Simulations 2D du champ THz dans la cavité d’un LCQ double- métal muni de deux fentes gravées sur la surface. Haut : mode fondamental. Bas : mode excité.
Cette deuxième configuration, plus adaptée au mélange de fréquences, a été réalisée. Les fentes ont été gravées à Leeds en Angleterre, à l’aide d’une sonde ionique focalisée (Focused Ion Beam, FIB en anglais). Elles mesurent 1 mm de long et 3 µm de large. Elles sont séparées l’une de l’autre de 45 µm. Les performances du LCQ gravé sont tout à fait équivalentes aux performances du LCQ avant la gravure.
VI.1.3 Adaptation du montage expérimental
Afin d’obtenir le mélange de fréquences en excitation par la surface du LCQ, le montage expérimental a été adapté. Comme on l’a vu dans la sous-partie précédente, nous avons choisi de graver des fentes sur 1 mm de longueur à la surface de l’échantillon pour exciter optiquement une plus grande surface, en conservant la même puissance surfacique d’excitation. Pour cela, on choisit d’utiliser expérimentalement une lentille cylindrique de focale 3 cm qui permet de focaliser le faisceau sous une forme elliptique, allongée dans la longueur des fentes. Celle-ci nous permet d’éclairer toute la longueur de la fente, comme on peut le voir sur le schéma de principe figure VI.5.
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Cette même lentille nous permet de collecter les faisceaux réfléchis qui sont ensuite déviés vers le spectromètre à l’aide d’une lame séparatrice qui réfléchit 90%. La détection s’effectue de la même manière qu’au chapitre IV à l’aide du spectromètre à réseaux et d’une caméra CCD.
Pour suivre l’alignement du faisceau de forme elliptique sur l’une des deux fentes gravées, on installe une petite caméra qui nous permet de voir la surface de l’échantillon. On peut voir ci-dessous deux exemples d’images obtenues à l’aide de cette caméra. La figure VI.6 montre la surface de l’échantillon composé de plusieurs LCQ. Les fils de gauche sont connectés à la masse et les deux fils de droite alimentent le LCQ avec les fentes. Les connections ont été appliquées aux extrémités du LCQ, de part et d’autre des fentes. Sur cette première figure, le LCQ n’est pas alimenté.
Figure VI.6 – Image de la surface du LCQ L773 obtenue à l’aide d’une petite caméra sensible dans le proche IR.
Figure VI.7 – Même image où le LCQ alimenté apparait illuminé (droite) et on approche le fais- ceau de pompe de forme elliptique (gauche). Lorsque le LCQ est alimenté, il apparait illuminé sur la caméra, sans excitation optique. Cette électroluminescence observée a pour origine la recombinaison interbande des électrons du dopage de la bande de conduction avec des trous présents à proximité des contacts Schottky lors de la fabrication du guide double-métal [80] (non observé pour les LCQ simple plasmon). Le LCQ alimenté peut ainsi être repéré sur la caméra, comme on peut le voir sur la figure VI.7. On voit également les fentes apparaitre en ombre à la surface du LCQ. Le faisceau elliptique (la puissance a été fortement atténuée pour ne pas éblouir la caméra) est approché par la gauche de ce LCQ pour l’aligner avec l’une des fentes. Pour optimiser l’alignement du faisceau à travers l’une des fentes, on se sert de la photoluminescence émise lorsque la pompe excite la zone active à travers la fente.