Optoélectronique terahertz

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En un siècle et demi, la théorie électromagnétique a réussi le tour de force d'être l'un des plus grands achèvements de la réflexion scientifique. Elle a été établie avec rigueur et validée très précisément par de nombreuses expériences. Néanmoins, parcourir le spectre électromagnétique réserve encore de belles surprises, particulièrement dans le domaine spectral de l'infrarouge très lointain, correspondant aux fréquences térahertz ; celui- ci offre de nombreuses applications encore impensables il y a quelques années, comme la « vision » par des caméras à travers des objets opaques, la détection de produits à risque (explosifs, drogues…), la collecte d'informations par capteurs en faveur de l'environnement, la mise au point de composants électroniques ultra- rapides, la sécurisation des télécommunications...
Peu exploré jusqu'aux années 1990 en dehors de certains laboratoires très spécialisés, le domaine térahertz a depuis bénéficié de nombreux progrès technologiques, en particulier dans le domaine de l'optoélectronique. Aujourd'hui, les ondes et signaux térahertz font l'objet d'une multitude d'études au sein de nombreux laboratoires et entreprises à travers le monde, et on assiste à la diffusion de cette technologie dans le monde industriel. Nous sommes donc à une période charnière s'il en est, puisque de nombreuses applications « grand public » n'attendent plus que sautent les derniers verrous technologiques.
Ce livre s'adresse à un public d'ingénieurs ou de scientifiques non spécialistes qui voudraient commencer des travaux dans le domaine térahertz, ou tout simplement mieux connaître ce que révèle l'expression « domaine térahertz ». Il sera aussi très utile aux étudiants (masters, dernière année d'écoles d'ingénieurs ou doctorants).
Publié le : lundi 3 décembre 2012
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EAN13 : 9782759803040
Nombre de pages : 361
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Extrait de la publication
Optoélectronique térahertz
Sous la direction de Jean-Louis COUTAZ
Avec la collaboration de Robin BOQUET, Nicolas BREUIL, Laurent CHUSSEAU, Paul CROZAT, Jean DEMAISON, Lionel DUVILLARET, Guilhem GALLOT, Frédéric GARET, Jean-François LAMPIN, Didier LIPPENS, Juliette MANGENEY, Patrick MOUNAIX, Gaël MOURET, Jean-François ROUX
17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France
Imprimé en France.
©2008, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf, 91944 Les Ulis Cedex A Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, les courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35.
ISBNEDP Sciences 978-2-86883-975-6
Extrait de la publication
Liste des auteurs
Sous la direction de : – Jean-Louis COUTAZ, professeur, Laboratoire IMEP-LAHC, université de Savoie, Le Bourget du Lac
– Robin BOQUET, professeur, Laboratoire de physico-chimie de l’atmo-sphère, université du Littoral, Dunkerque – Nicolas BREUIL, ingénieur, Thalès Airborne Systems, Élancourt – Laurent CHUSSEAU, directeur de recherche au CNRS, Institut d’élec-tronique du Sud, Montpellier – Paul CROZAT, professeur, Institut d’électronique fondamentale, Orsay – Jean DEMAISON, directeur de recherche au CNRS, Laboratoire PHLAM, université de Lille I – Lionel DUVILLARET, professeur, Laboratoire IMEP-LAHC, Institut national polytechnique de Grenoble – Guilhem GALLOT, chargé de recherche au CNRS, Laboratoire d’op-tique et biologie, École polytechnique, Palaiseau – Frédéric GARET, maître de conférences, Laboratoire IMEP-LAHC, université de Savoie, Le Bourget du Lac – Jean-François LAMPIN, chargé de recherche au CNRS, Institut de mi-croélectronique et nanotechnologie du Nord, Villeneuve d’Ascq – Didier LIPPENS, professeur, Institut de microélectronique et nano-technologie du Nord, Villeneuve d’Ascq – Juliette MANGENEY, maître de conférences, Institut d’électronique fondamentale, Orsay – Patrick MOUNAIX, chargé de recherche au CNRS, Laboratoire CP-MOH, université de Bordeaux – Gaël MOURET, maître de conférences, Laboratoire de physico-chimie de l’atmosphère, université du Littoral, Dunkerque – Jean-François ROUX, maître de conférences, Laboratoire IMEP-LAHC, université de Savoie, Le Bourget du Lac.
Extrait de la publication
Avant-propos
Les ondes électromagnétiques térahertz suscitent aujourd’hui un engoue-ment sans précédent dû aux applications entrevues, dans des domaines aussi variés que l’environnement, la sécurité, l’imagerie, les télécommunications... Jusqu’aux années 1990, les études dans le domaine térahertz sont restées confinées dans des laboratoires spécialistes de l’infrarouge très lointain, à cause de l’absence de sources et de détecteurs faciles à utiliser. Une révolu-tion technologique a eu lieu à cette époque avec l’apparition de lasers com-merciaux délivrant des impulsions optiques de durée femtoseconde, qui ont facilité la génération et la détection des signaux térahertz. Depuis, des tech-niques complémentaires ont fait progresser les performances des systèmes térahertz, si bien que nous sommes actuellement à une époque charnière où la sciencetérahertzest en train de migrer des laboratoires vers les entreprises et vers les applications grand public. Ce livre, destiné à un public de scientifiques (chercheurs ou étudiants de e 3 cycle) et d’ingénieurs non spécialistes du domaine, a pour but de présenter l’ensemble des principes, des techniques et des applications des ondes téra-hertz. Devant l’ampleur des concepts mis en jeu, nous nous sommes limités à la description des technologies optoélectroniques qui sont aujourd’hui les plus abouties pour un transfert industriel. Le livre s’articule autour de cinq parties. La première donne une description globale du domaine. La seconde décrit les principes physiques de base rencontrés dans le domaine térahertz. La troisième partie s’intéresse aux composants, et la quatrième partie aux systèmes et techniques de mesure. Enfin, la dernière partie présente les ap-plications des ondes térahertz dans le domaine de la sécurité, des communi-cations, de la santé, de la défense... Ce livre a été rédigé par un ensemble de spécialistes français. Toutes les différentes contributions ont été harmonisées pour que le livre soit homogène et ainsi de lecture plus aisée. Cet ouvrage est le fruit d’une coopération enthousiaste depuis 1 l’année 2000 entre ces spécialistes sous l’égide du Club Ecrin qui fédère les équipes de recherches universitaires et les industriels EADS et THALES afin de promouvoir les nouvelles technologies dans le domaine térahertz.
1 Fondée par le CNRS et le CEA, l’association Ecrin (Échange et coordination recherche-industrie) a pour but de rapprocher les laboratoires de recherche et les entreprises pour accélérer les transferts de technologies et créer de l’innovation (www.ecrin.asso.fr).
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Optoélectronique térahertz
En réalité, cette aventure a commencé en 1988 et elle illustre la puissance et l’efficacité que peuvent engendrer des relations informelles. En effet, il fal-lait alors pallier au manque de sources térahertz au sein des laboratoires. Daniel Boucher, à l’époque enseignant-chercheur à l’université de Lille, et Jean-Pierre Gex, directeur commercial d’un GIE CEA-Aérospatiale, se ren-contrèrent autour d’un café et, pour des intérêts évidents, décidèrent très vite de monter un projet d’une source à électrons libres qui aurait été implantée à Lille. Ils étaient alors encouragés par Pierre Glorieux, Jean Demaison, Didier Dangoisse, Robin Bocquet de l’université de Lille. Mais à cette époque, les la-sers femtoseconde firent leur première apparition. Daniel Boucher se dépêcha d’en acheter un et de monter une expérience de spectroscopie térahertz dans le laboratoire qu’il venait de créer à l’université du Littoral à Dunkerque, abandonnant ainsi l’idée du laser à électrons libres. Déjà, suite aux travaux précurseurs du Laboratoire d’optique appliquée de l’ENSTA à Palaiseau, quelques laboratoires français (LAHC-Chambéry, IRCOM-Limoges, CESTA-CEA) s’étaient lancés dans l’aventure de l’optoélectronique térahertz. Aussi, Jean-Pierre Gex et Daniel Boucher sentirent la nécessité d’une première conférence térahertz qu’ils organisèrent à l’Observatoire de Paris en 1999. Une trentaine de personnes y participèrent dont des représentants de Thom-son (Thalès) et Aérospatiale (EADS). Une grande partie de ces participants décidèrent de maintenir entre eux des contacts de travail, donnant ainsi nais-sance au groupe de travail térahertz dans le cadre du club Ecrin. Aujour-d’hui, ce groupe de travail rassemble une grande partie des acteurs français de l’optoélectronique térahertz, il se réunit plusieurs fois par an et, dans une ambiance chaleureuse, monte des projets, recherche le financement de thèses, organise tous les deux ans les Journées Térahertz et, letérahertzdevenant une technologie à haut potentiel, publie ce livre. L’ensemble du groupe térahertz dédie ce livre à la mémoire de Daniel Boucher, récemment disparu, qui a effectué durant plus de trente ans des travaux de recherche dans le domaine térahertz, motivant jeunes chercheurs et ingénieurs à s’intéresser à ce domaine spectral, dont il était convaincu du grand intérêt pour la recherche académique et du haut potentiel de dévelop-pement et d’applications.
Jean-PierreGex, Ecrin Gérard-PascalPiau, EADS Jean-LouisCoutaz, université de Savoie
Extrait de la publication
Table
des
Avant-propos
Table des matières
I
1
II
2
matières
Description générale
Introduction 1.1 Remarques préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Infrarouge lointain ou domaine térahertz . . . . . . . . . . . . 1.3 Sources de rayonnement térahertz . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 « Fossé » du térahertz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Sources « classiques » . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Lasers moléculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Sources optoélectroniques . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.5 Lasers à cascade quantique . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.6 Bilan comparatif et perspectives . . . . . . . . . . . . 1.4 Détecteurs de rayonnement térahertz . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Détecteurs « incohérents » : bolomètres... . . . . . . . 1.4.2 Détecteurs optoélectroniques . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Interaction entre les ondes térahertz et la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Applications entrevues et état actuel de leur développement
Principes physiques de base
Notions physiques de base 2.1 Électromagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Équations de Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Équations de propagation du champ électromagnétique 2.1.3 Énergie électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Électromagnétisme non linéaire . . . . . . . . . . . . . 2.2 Photonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Extrait de la publication
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41 41 41 43 45 48 54
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III
3
4
2.3
2.4
Optoélectronique térahertz
2.2.1 Énergie du photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Puissance lumineuse et statistique du flux de photons Interaction lumière-matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Modèle classique de l’interaction dipolaire . . . . . . . 2.3.3 Traitement quantique de l’interaction lumière-atome 2.3.4 Le corps noir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Interaction lumière-molécule . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6 Interaction lumière-gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7 Interaction lumière-liquide . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.8 Interaction lumière-solide . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.9 Photogénération dans les semi-conducteurs . . . . . . Lasers femtosecondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Lasers à modes bloqués . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Mise en phase des modes . . . . . . . . . . . . . . . .
Composants
Composants pour le régime impulsionnel 3.1 Lasers femtosecondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Génération d’impulsions laser femtosecondes . . . . . . 3.1.3 Blocage de modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 Principaux lasers femtosecondes . . . . . . . . . . . . . 3.2 Matériaux semi-conducteurs pour l’impulsionnel . . . . . . . . 3.2.1 Recombinaison des paires électrons-trous . . . . . . . . 3.2.2 L’épitaxie à basse température des semi-conducteurs III-V . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Implantation et irradiation ionique . . . . . . . . . . . 3.3 Génération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Génération à base de semi-conducteurs . . . . . . . . . 3.3.2 Génération par redressement optique . . . . . . . . . . 3.3.3 Comparatif des sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Détection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Détection photoconductrice . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Détection par effet électro-optique . . . . . . . . . . .
54 55 56 56 57 59 62 64 67 73 73 84 88 88 89
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93 93 93 94 95 99 100 100
102 107 110 110 125 132 134 134 138
Composants pour le régime continu 155 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.1.1 Photomélange par battement de deux lasers . . . . . . 156 4.1.2 Composants de transposition de fréquence par battement de lasers : photodétecteurs . . . . . . . 162 4.1.3 Laser à cascade quantique (QCL) . . . . . . . . . . . . 167
Table des matières
5
IV
6
4.2 4.3 4.4
Conclusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technique de photomélange : principe et limitations . . . . . Vers les grandes longueurs d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Banc expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
172 173 174 175 176 178
Composants passifs 179 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 5.2 Éléments optiques pour la propagation en espace libre . . . . 180 5.2.1 Rôle crucial de la dispersion chromatique . . . . . . . 180 5.2.2 Miroirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 5.2.3 Lentilles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 5.2.4 Séparatrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.2.5 Prismes et réseaux de diffraction . . . . . . . . . . . . 187 5.2.6 Traitements antireflets . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 5.3 Traitement de la polarisation en espace libre . . . . . . . . . . 189 5.3.1 Degré de polarisation des émetteurs et détecteurs THz 189 5.3.2 Polariseurs à grille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 5.3.3 Polarisation par séparation temporelle . . . . . . . . . 191 5.3.4 Lames biréfringentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 5.4 Guides d’ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 5.4.1 Quelques rappels sur le guidage des ondes électromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 5.4.2 Guides d’ondes diélectriques . . . . . . . . . . . . . . . 195 5.4.3 Guides d’ondes métalliques . . . . . . . . . . . . . . . 197 5.4.4 Dispersion et pertes des guides d’ondes . . . . . . . . . 200 5.4.5 Comparatif des différents guides d’onde THz . . . . . 201 5.4.6 Couplage dans les guides d’ondes . . . . . . . . . . . . 202 5.5 Cristaux photoniques et métamatériaux . . . . . . . . . . . . 202 5.5.1 Définition et caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . 202 5.5.2 Dispositifs et filtres THz basés sur des cristaux photoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 5.5.3 Ingénierie de la dispersion : cristaux photoniques et métamatériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Techniques et systèmes
215
Techniques de mesure 219 6.1 Domaine temporel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 6.1.1 Échantillonnage en temps équivalent d’impulsions THz ultrabrèves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 6.1.2 Échantillonnage d’un signal continu . . . . . . . . . . . 224 Extrait de la publication
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