Jury :

Rapporteure: Florence Podevin Professeur des Universités – Université Grenoble Alpes – Laboratoire TIMA

Rapporteure: Juliette Mageney Directeur de Recherches – Laboratoire de physique de l’ENS Paris

Examinateur: Patrick Mounaix Directeur de Recherches – CNRS – Université de Bordeaux

Examinateur: Frederic Vandijk Ingénieur de Recherche – III-V lab – Palaiseau

Examinateur: Vincent Magnin Maitre de conférence – IEMN laboratoire centrale

Examinateur: Jean-Francois Lampin Directeur de Recherches – IEMN laboratoire centrale

Directeur de thèse: Emilien Peytavit Chargé de recherche CNRS – IEMN laboratoire centrale

Summary:

Le photomélange est une technique de conversion d’onde optique en onde THz qui implique l’interaction de deux sources optiques de fréquences différentes dans un matériau photoconducteur, ce qui entraîne la génération d’une onde électromagnétique THz à la différence de fréquence entre les deux sources optiques. L’un des principaux avantages du photomélange est son fonctionnement à large bande, qui permet de générer un rayonnement THz dans une large gamme de fréquences. En outre, les matériaux photoconductifs peuvent être facilement intégrés dans des dispositifs petits et portables, ce qui permet de créer des sources THz compactes et très efficaces. L’utilisation de matériaux photoconductifs est principalement attribuée à leur grande photoconductivité et à la courte durée de vie des porteurs du matériau et, en partie, à la conception de l’appareil. Les photomélangeurs actuels sont des dispositifs de la taille micrométrique qui sont éclairés verticalement et sont principalement limités par la puissance optique incidente maximale en raison de la petite taille de leur zone active. Cette dernière est nécessaire pour minimiser la limitation de fréquence bien connue liée à la capacité définie par la taille de l’électrode. Les photomélangeurs distribués sont un autre type de photomélangeurs qui permettent de surmonter la limitation de capacité des dispositifs à éclairage vertical grâce à leur structure distribuée. Outre les limites fondamentales de la durée de vie des porteurs, les photomélangeurs distribués sont limités par le décalage entre l’indice de réfraction THz et l’indice du groupe optique. Nous présentons ici un nouveau concept de photomélangeurs distribués basé sur de l’arséniure de gallium épitaxié à basse température, capable de gérer des puissances optiques élevées atteignant le niveau du watt pour des longueurs d’onde de 780 nm et 1550 nm grâce à sa plus grande zone active atteignant une longueur de 1 mm. En outre, cette nouvelle conception permet un ajustement facile des deux indices, ce qui conduit à une meilleure adaptation entre ces indices. En fin de compte, les résultats de ce manuscrit démontrent qu’il est possible de fabriquer un photomélangeur distribué permettant à la fois de gérer une puissance optique élevée et une adaptation d’indice plausible, ce qui permet à ces photomélangeurs de rivaliser avec les photomélangeurs à illumination verticale et même de surmonter leurs limites.

Abstract:

Photomixing is an optical-to-THz wave conversion technique that involves the interaction of two optical sources of different frequencies in a photoconductive material, resulting in the generation of a THz electromagnetic wave at the frequency difference between the two optical sources. One of the main advantages of photomixing is its broadband operation, which enables THz radiation to be generated over a wide range of frequencies. In addition, photoconductive materials can be easily integrated into small, portable devices, enabling the creation of compact, highly efficient THz sources. The use of photoconductive materials is mainly attributed to their high photoconductivity and the short carrier lifetime of the material, and partly to the design of the device. Current photomixers are micrometer-sized devices that are vertically illuminated and are mainly limited by the maximum incident optical power due to the small size of their active area. The latter is necessary to minimize the well-known frequency limitation linked to the capacitance defined by the electrode size. Distributed photomixers are another type of photomixer that overcome the capacitance limitation of vertically illuminated devices thanks to their distributed structure. In addition to fundamental limits on carrier lifetime, distributed photomixers are limited by the mismatch between THz refractive index and optical group index. We present here a new concept of distributed photomixers based on low-temperature epitaxial gallium arsenide, capable of handling high optical powers reaching the watt level for wavelengths of 780 nm and 1550 nm thanks to its largest active area reaching a length of 1 mm. In addition, the new design allows easy adjustment of the two indices, leading to better matching between them. Ultimately, the results of this manuscript demonstrate that it is possible to fabricate a distributed photomixer that can handle both high optical power and plausible index matching, enabling such photomixers to compete with and even overcome the limitations of vertically-illuminated photomixers.