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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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Échantillonnage optique de signaux hyperfréquences
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5. Photomélange pour applications jusqu'au térahertz
Pour les principes généraux de la fonction de photomélange, se référer à l'article [E 3 332] des Techniques de l'Ingénieur.
Les photomélangeurs sont des composants optiques hétérodynes qui permettent la génération d'une onde électromagnétique dont la fréquence peut atteindre le domaine du térahertz à partir de deux ondes optiques de longueurs d'onde légèrement différentes. En général, la longueur d'onde de ces sources se situe dans le visible ou dans l'infrarouge (IR). Le principe de conversion repose sur la détection de l'interférence temporelle créée par les deux faisceaux optiques , la différence de fréquence entre ces deux ondes correspondant à la fréquence que l'on souhaite créer.
La partie active des photomélangeurs est constituée d'un élément semi-conducteur dont la résistivité est modulée à très haute fréquence. C'est la détection quadratique de l'interférence temporelle créée par les deux sources infrarouge qui permet cette modulation. Cette partie active du composant se présente généralement sous la forme d'un photoconducteur à durée de vie de porteurs très courte (≈ 1 ps). Cela permet en effet d'atteindre les vitesses de réponse nécessaires à la génération d'ondes térahertz.
Le photoconducteur est généralement du type métal-semi- conducteur-métal (MSM) ...
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Photomélange pour applications jusqu'au térahertz
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SALEH (B.E.A.), TEICH (M.C.) - Fundamentals of photonics. - Wiley Interscience.
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(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).
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...
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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