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RÉSUMÉ
Le présent article décrit les interactions entre une onde lumière et un matériau semi-conducteur en vue de la réalisation de nouvelles fonctions hyperfréquences commandées optiquement. Ce nouvel axe de recherche, conduisant à une nouvelle famille de dispositifs, englobe la photoconductivité dans les semi-conducteurs aux structures tri-, bi- et monodimensionnelles pour des applications allant de la génération de signaux hyperfréquences à l'échantillonnage de ces mêmes signaux.
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Charlotte TRIPON-CANSELIET : Maître de conférences Université Pierre-et-Marie-Curie, Paris
INTRODUCTION
Un des enjeux des futurs systèmes électroniques, et en particulier des systèmes hyperfréquences, est lié à la capacité de ces derniers à s'adapter à des environnements spectraux extrêmement denses et évolutifs. Cette adaptativité des systèmes se traduit soit par la capacité de traiter des signaux de bandes passantes de plus en plus larges soit par la possibilité de se reconfigurer très rapidement pour adapter sa bande de fréquence de fonctionnement à l'environnement spectral. Ces capacités de reconfiguration ultrarapide passent par la notion de routage ou de commutation hyperfréquence. L'approche la plus prometteuse pour commander avec beaucoup de précision temporelle ces dispositifs est d'utiliser une impulsion optique, qui présente le double avantage de l'immunité électromagnétique et de gigue temporelle de l'ordre de la femtoseconde. Il devient donc nécessaire de maîtriser les interactions entre une onde lumineuse et un matériau. Du fait de la nature fondamentalement différente des matériaux existants (isolant, conducteur, semi-conducteur), des interactions de nature différente peuvent intervenir avec ces matériaux lorsqu'ils sont soumis à un flux de photons dans une gamme de longueur d'onde allant des rayons X à l'infrarouge lointain. Ces interactions peuvent être retranscrites au travers différentes modifications de propagation de l'onde électromagnétique incidente pour lesquelles cette onde sera réfléchie, absorbée ou réfractée par cette matière.
Le présent article a pour objectifs de décrire les interactions d'une onde lumineuse avec des matériaux semi-conducteurs puis d'identifier les nouvelles fonctions hyperfréquences commandables optiquement. Le premier paragraphe est consacré aux principales interactions lumière/matière, il est suivi d'un paragraphe consacré aux mécanismes d'émission et d'absorption de lumière dans les matériaux semi-conducteurs. Le troisième paragraphe traite de la photoconductivité des matériaux semi-conducteurs. Enfin, les paragraphes suivants couvrent le domaine des nouvelles fonctions hyperfréquences commandées optiquement, en particulier du photomélange et de l'échantillonnage de signaux micro-ondes.
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Photocommutateurs pour applications hyperfréquences
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3. Photoconductivité des matériaux semi-conducteurs
3.1 Description générale de la photoconductivité
L'effet photoconducteur est un phénomène optoélectronique à la base de nombreux dispositifs de détection ; on le rencontre couramment à plusieurs niveaux. Ainsi, il permet aussi bien de produire la photocopie de documents que d'assurer le traitement de données transmises par voie optique dans le domaine des télécommunications, comme par exemple Internet.
Dans cette étude, nous exposons l'interaction lumière/semi- conducteur mettant en jeu divers processus physiques et devenant un outil de commutation de circuits électriques. Nous nous limiterons ici au cas d'une absorption directe de la lumière dans le matériau semi-conducteur et au cas particulier d'une absorption indirecte des deux photons.
HAUT DE PAGE3.2 Absorption de la lumière dans un matériau semi-conducteur
3.2.1 Cas général de l'absorption directe
Un matériau semi-conducteur est un matériau isolant, qui, sous une contrainte externe de nature thermique, électrique ou optique, devient conducteur. En effet, sous excitation externe, les populations en porteurs libres des niveaux d'énergie constituant ce matériau se modifient : un électron situé dans la bande de valence est transféré dans la bande de conduction faisant apparaître un trou au niveau de la bande de valence. L'énergie apportée par la contrainte extérieure doit être alors supérieure ou égale à l'énergie de gap séparant les bandes de valence et de conduction pour que des paires électron-trou soient générées.
Un matériau semi-conducteur peut être de deux types :
-
intrinsèque : il est constitué d'atomes identiques ou d'un regroupement d'atomes. Ses concentrations en électrons n et en trous p sont égales ;
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extrinsèque : un apport d'électrons (type n) ou de trous (type p) par dopage est réalisé durant la fabrication du matériau semi-conducteur. Les concentrations en électrons n et en trous p diffèrent.
La photoconductivité,...
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Photoconductivité des matériaux semi-conducteurs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SALEH (B.E.A.), TEICH (M.C.) - Fundamentals of photonics. - Wiley Interscience.
-
(2) - VIGNAUD (D.) et al - Electron lifetime of heavily Be-doped InGaAs as a function of growth temperature and doping density. - Applied Physics Letters, 80, no 22, p. 4151-4153, juin 2002.
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(3) - YONEYAMA (M.) et al - A differential photoconductive and gate with Be-doped low-temperature-grown InGaAs-InAlAs MQW MSM-PD's. - IEEE Journal of Quantum Electronics, 33, no 8, p. 1308-1315, août 1997.
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(4) - SUKHOTON (M.) et al - Picosecond photocarrier-lifetime in ErAs : InGaAs at 1,55 μm. - Applied Physics Letters, 83, no 19, p. 3921-3923, nov. 2003.
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(5) - BERTULIS (K.), KROTKUS (A.), ALEKSEJENKO (G.), PACEBUTAS (V.), ADOMAVICIUS (R.) et al - GaBiAs : a material for optoelectronic terahertz devices. - Appl. Phys. Lett., 88, p. 201112 (2006).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Société Française d'Optique, Club optique et micro-ondes http://www.sfoptique.org/SFO/club-omw/
HAUT DE PAGE
IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics http://www.ieee/conferences_events
International Asia-Pacific Microwave Photonics Conference (APMP)
IEEE European Microwave Conference (EuMC) http://www.eumweek.com)
IEEE International Microwave Symposium (IMS) http://www.imsconferences.com
SPIE Photonics Europe http://www.spie.org/photonics-europe.html
SPIE Photonics West http://www.spie.org
HAUT DE PAGE
Quelques brevets sur les photocommutateurs hyperfréquences
ALQUIÉ (.G), CHAZELAS (J.), COUTAZ (J.-L.), DECOSTER (D.), FORMONT (S.), MAGNIN (V.), ROUX (J.-F.), TRIPON-CANSELIET (Ch.). – Dispositif pour confiner l'onde optique de commande dans la zone active d'un dispositif électronique à commande optique, FR2908569 (A1), 16 mai 2008
FORMONT (S.), CHAZELAS (J.), ALGANI (C.), ALQUIE (G.), CANSELIET (Ch.), DESHOURS (F.). – Commutateur...
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