Les sources THz basées sur la photodétection d’un battement optique de deux raies laser par un photodétecteur ultrarapide, aussi appelé photomélangeur, couplé à une antenne large bande THz sont très prometteuses car elles fonctionnent à température ambiante, sont compactes, et surtout, accordables sur des plages fréquentielles atteignant plusieurs THz. Elles sont donc parfaitement adaptées aux systèmes de spectroscopie moléculaire THz pour l’étude des matériaux, de la terre, des sciences de l’univers ou encore des systèmes biologiques. Le groupe Photonique THz a développé un photomélangeur permettant d’atteindre des puissances de l’ordre du mW jusqu’à 1 THz.

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Les sources THz basées sur le photomélange de deux raies laser dans un photodétecteur ultrarapide sont très prometteuses car elles fonctionnent à température ambiante, sont potentiellement compactes, à faible coût, surtout, largement accordables en fréquence. Cependant, leur utilisation est actuellement limitée du fait d’un niveau de puissance disponible qui demeure dans la gamme du μW au-delà de 1 THz.

Nous avons développé une structure à ondes progressives de longueur millimétrique ouvrant la voie à des dispositifs de photomélange à grande surface active (~4000 μm2) capables de supporter une puissance de pompage optique supérieure à 1 W bien au-delà des capacités des dispositifs standard à éléments localisés utilisant de petites surfaces actives (<50 μm2) nécessaires pour maintenir un niveau de capacité (<10 fF) compatible avec un fonctionnement THz.

Ce type de photomélangeur à ondes progressives n’est en effet plus limité par une fréquence de coupure de type RC, mais par contre il nécessite un parfait accord entre la vitesse de propagation du battement optique (vitesse de groupe) et la vitesse de propagation des ondes THz générées afin que ces dernières aient toutes des phases identiques et interfèrent ainsi de façon constructive. De plus, le guide THz doit aussi présenter des pertes de propagation contenues sur des distances de l’ordre du millimètre. Enfin, il est nécessaire d’avoir un photoconducteur intégré au guide ayant une fréquence de coupure intrinsèque proche de 1 THz.

Nous présentons en Fig. 1 la structure originale étudiée ici qui potentiellement répond à tous ces défis. Elle est constituée d’un guide diélectrique (cœur en nitrure de silicium et gaine en oxyde de silicium) transportant le battement optique de pompe qui est couplé par évanescence à un photoconducteur composé d’une membrane d’un matériau photoconductif à temps de réponse sub-picoseconde (GaAs épitaxié à basse température) et d’électrodes de contact qui forment un guide d’onde THz coplanaire (THz CPW). Expérimentalement, la réponse en fréquence d’une structure de 1 mm de long, mesurée en utilisant le battement optique produit par deux lasers 780 nm-DFB, montre clairement la signature attendue de l’onde progressive consistant en une diminution de 6 dB se terminant à ~50 GHz lorsque la contribution de l’onde progressive contra-propagative est entièrement annulée, suivie d’un plateau.
La démonstration expérimentale du fonctionnement en régime d’ondes progressives est un premier pas vers la réalisation des promesses initiales de ce concept en termes de niveau de puissance et de bande passante.

Fuanki Bavedila, Charbel Tannoury, Quyang Lin, Sylvie Lepilliet, Vanessa Avramovic, Etienne Okada, Dmitri Yarekha, Marc Faucher, David Troadec, Jean-Francois Lampin, Guillaume Ducournau, Goulchen Loas, Vincent Magnin, and Emilien Peytavit, Development of a Millimeter-Long Travelling Wave THz Photomixer, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY 39, 4700-4709 (2021).
https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3078226