Les activités de recherche de l’équipe Photonique THz portent principalement sur le développement de composants et systèmes fonctionnant aux fréquences moyen infrarouge (MIR) et THz utilisant à la fois les techniques de la photonique et de l’électronique. Ces activités se décomposent en 6 grandes thématiques qui recouvrent des domaines très variés au niveau scientifique et technique, du matériau au système, mais aussi couvrant plusieurs degrés de maturité technologique puisqu’ils couvrent des TRL de 1 à 6
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Telecom UHD THz: composants, systèmes et instrumentation de tests.
Cette thématique vise à contribuer aux développements scientifiques pour les futurs systèmes de communications ultra-haut débits (UHD). Elle tire parti des gammes de fréquences millimétriques et sub-THz (140-350 GHz) en développant et caractérisant les composants de ces futurs systèmes dans une perspective applicative qui rend nécessaire leur qualification comme partie d’un système complet. Un fait marquant sur la période a été la démonstration d’un lien THz bi-directionnel lors du projet Européen THOR, dans lequel l’équipe photonique THz a été responsable du test à l’IEMN du démonstrateur final avant démonstration sur le terrain (https://www.youtube.com/watch?v=vEBfRHZGSyc)
Antenne Cassegrain pour communication sans fil à 300 GHz sur une distance de 650m
Développement de composants optoélectroniques proche IR (0.8-1.55µm) ultrarapides pour la génération et l’analyse de signaux THz large bande.
Ces composants permettent de faire le pont entre des sources lasers toujours plus compactes, efficaces et stables avec les ondes RF&THz permettant d’imaginer des sources et des détecteurs THz ultra-large bande (>1 :10) inaccessibles par voie électronique. Dans la période récente, nous avons développé un photoconducteur fonctionnant aux longueurs d’ondes télécom basé sur une microcavité plasmonique permettant la détection d’onde THz par mélange hétérodyne avec une efficacité 100 fois supérieure à l’état de l’art [APLPhot23].
Mélangeur hétérodyne optique
Sources Laser THz-pour l’imagerie et la spectroscopie
Par exemple: un laser moléculaire breveté en 2015, basé sur le pompage optique de molécules en phase gazeuse par une source MIR de type laser à cascade quantique. Un laser fonctionnant à température ambiante sur ce principe sert aujourd’hui d’oscillateur local dans un récepteur hétérodyne THz utilisé dans une expérience de spectroscopie moléculaire à haute résolution installée au Synchrotron SOLEIL. Un autre résultat marquant a été l’étude systématique des transitions de NH3 qui a permis de valider un modèle prédictif dans la gamme 0.5-5 THz [APR22], ce qui ouvre la voie à la conception de nouveaux lasers moléculaires efficaces et compacts
Phénomènes non-réciproques et spintronique THz.
Nous avons développé ces dernières années des activités de premier plan sur les excitations THz de la matière magnétisée. La dynamique sub-picoseconde des porteurs dans les milieux magnétisés révèle une richesse de phénomènes qui peuvent être exploités à la fois pour la génération THz à très large bande et pour des fonctionnalités non réciproques. Nous avons par exemple réalisé des émetteurs spintroniques THz montrant une amélioration d’un ordre de grandeur par rapport à l’état de l’art en efficacité d’émission tout en atteignant un taux de modulation de polarisation record au-delà de 10MHz [ACSPhot22]
Rotation de la polarisation THz d’un émetteur à effet Hall à spin inverse par effet magnétostrictif commandable en tension [ACSPhot22]
Imagerie en champ proche et de spectroscopie THz permettant d’étudier des objets divers allant des molécules jusqu’aux composants
L’utilisation en science de la vie et de l’environnement de la spectroscopie THz dans le domaine temporel nécessite encore aujourd‘hui une amélioration de ses performances en termes de précision et robustesse. Pour ce faire nous développons des systèmes et des méthodes de traitement de données innovantes. Ainsi l’application de techniques de super résolution [TTST22] a permis d’en faire un système de détection de gaz multi-espèces et ultrasensible, qui pourrait servir par exemple pour le diagnostic par analyse d’haleine. En THz pour la biologie, l’un des défis majeurs est la mesure d’objets uniques de taille bien inférieure à la longueur d’onde. Nous développons donc des nano-concentrateurs de champ proche que nous caractérisons en spectroscopie et en microscopie en champ proche [ACS_AMI22].
Image de microscopie en champ proche (SNOM) d’un résonateur « split-ring » (SRR) à 2,5 THz.
Photodetecteurs moyen-infrarouge (MIR – l~3-15um) ultrarapides pour la spectroscopie et les telecoms MIR
Grâce à une relaxation électronique sur l’échelle de temps de la ps, les dispositifs unipolaires à puits quantiques de semi-conducteurs III-V sont des candidats idéaux pour un fonctionnement ultra-rapide pour de nombreuses applications, allant de la spectroscopie ultrarapide, aux communications en espace libre.Dans ce contexte, nous avons développé de nouveaux types de photo-détecteurs GaAs à multi-puits quantiques couplés à des antennes plasmoniques présentant une bande passante radiofréquence record de 100GHz à température ambiante [ACSPhot21] [Optica23].
Photodétecteur à puits quantiques ultra-rapides
