Génération et Propagation aux fréquences Terahertz

Applications et sources aux fréquences Térahertz

Le Térahertz est un domaine fréquentiel particulièrement intéressant, car il recouvre les fréquences caractéristiques de nombreux mécanismes physiques. L’observation de l’environnement, qu’il soit terrestre ou spatial, a ainsi longtemps été le principal moteur des avancées dans ce domaine. La situation est cependant en pleine évolution, avec l’apparition d’applications comme les télécommunications à haut débit, l’imagerie médicale et la biologie. Il existe aujourd’hui de nombreuses sources fonctionnant dans cette plage de fréquences, mais il manque toujours une source fiable, compacte et à faible coût. Historiquement, les applications spectroscopiques étaient avant tout des expériences de laboratoire, dans lesquelles les notions de coût ou d’encombrement n’entraient pas en ligne de compte. En outre, le Térahertz se situe aux limites physiques et technologiques des domaines qui ont connu le plus grand développement ces dernières décennies : l’optique et l’électronique. Et si, à partir de ceux-ci, il est possible d’atteindre le Térahertz, c’est au prix de trésors d’ingéniosité.

Les applications potentielles

Observation de l’environnement

Radioastronomie
La physique de l’atmosphère et la radioastronomie sont les applications historiques des systèmes fonctionnant dans le Térahertz. C’est dans cette plage que se situent les énergies de vibration de nombreuses molécules. En planéotologie, par exemple, on s’intéresse notamment aux molécules HF (1.23 THz) et HCl (1.25 THz) dans l’atmosphère de Vénus, mais aussi à la molécule PH3 (1.06 THz) pour les planètes géantes.

Surveillance des pollutions atmosphériques
La surveillance des pollutions atmosphériques est un problème important, qui n’a pas encore de solution définitive. Les polluants les plus classiques (tels que les oxydes d’azote, le souffre ou encore l’ozone) sont détectés dans l’ultraviolet par sondage de transitions électroniques. Pour d’autres espèces, en particulier la classe des organo-volatils, il semble plus judicieux d’utiliser les spectres de vibration, spectres intenses dans l’infrarouge moyen. Cependant de nombreuses espèces ne sont pas détectables par les moyens d’analyse classiques et ont des spectres d’absorption intenses dans le domaine submillimétrique. Il est devenu alors nécessaire d’imaginer de nouvelles techniques. Il a été ainsi montré récemment [Mour99, MCB+99] que l’hydrogène sulfuré (H2S) pouvait être détecté en utilisant une source submillimétrique large bande.

Télécommunications du futur

Le développement des applications multimédia futures (internet haut débit, télévision numérique, calculateurs rapides) nécessite la mise au point de circuits de plus en plus rapides. Les débits des systèmes actuels de transmission optique se situent à 10 Gbit/s. Les prototypes à 40 Gbit/s ont déjà été développés, et il faut maintenant concevoir les futures systèmes à plus haut débit. Ces systèmes nécessiteront des étages d’amplification, mais aussi des structures de propagation et des oscillateurs locaux fonctionnant aux fréquences THz.

Imagerie Térahertz

La spectroscopie Térahertz résolue en temps, utilisée dans le domaine de l’imagerie (Tray imaging) est sans doute l’une des applications les plus matures des systèmes Térahertz. Cette technique, développée dans les années 1990 [HuNu95], est aujourd’hui en passe d’être commercialisée. Les applications principales sont l’imagerie médicale et la sécurité.

Sources fonctionnant au Térahertz 

Bien qu’un système Térahertz nécessite de nombreuses autres fonctions, nous allons dans ce chapitre nous intéresser plus particulièrement à l’état de l’art des sources. Nous ne prétendons cependant pas être exhaustifs en raison de la multiplicité des voies d’études actuelles.

Génération directe 

Le carcinotron
Les premières sources de rayonnement cohérent sont les tubes micro-ondes, inventés au début du vingtième siècle. Ces tubes, supplantés depuis par les composants à semi-conducteur dans de nombreux domaines de l’électronique, restent aujourd’hui encore indispensables dans le domaine submillimétrique, ainsi que dans les applications nécessitant de fortes puissances (telles que les émetteurs de télévision ou les radars). Ainsi, la seule source commerciale accordable oscillant au dessus de 1 THz est le carcinotron (ou Back Wave Oscillator BWO), qui a été développé dans les années 1970 en France et en Russie. Le niveau de puissance est compris entre 1 W aux basses fréquences et quelques milliwatts au delà de 1 THz. Ce type de source est surtout un instrument de laboratoire dont le coût élevé (‘50000$) et la durée de vie limitée (quelques centaines d’heures) sont rédhibitoires pour son développement. Sa fabrication repose en effet sur de la mécanique de précision devenant micronique aux fréquences Térahertz. Le développement de la microtechnologie a toutefois relancé l’intérêt pour les tubes à vide avec des propositions intéressantes visant par exemple la microfabrication de klystrons [MGF+00].

Lasers moléculaires
A l’heure actuelle, les lasers oscillants dans le domaine submillimétrique sont pour l’essentiel des dispositifs optiquement pompés par des lasers CO2 de forte puissance (plusieurs dizaines de watts). De nombreux milieux actifs sont utilisables parmi lesquels les plus classiques sont le methanol (CH3OH) et l’acide formique (HCOOH). Au total, plus d’une centaine de raies d’émission de puissance significative sont connues entre 500 GHz et 2500 GHz. Si le laser moléculaire est une source à émission directe, il est rarement utilisé en tant que tel en raison de son spectre de raies, et donc de son manque d’accordabilité. En utilisant le laser submillimétrique optiquement pompé comme dispositif de base, de nombreux groupes [Sieg02] ont développé des sources accordables en exploitant la technique de bandes latérales. Cette technique nécessite la génération d’harmoniques à l’aide d’un élément non linéaire, généralement une diode Schottky. Cette source est encore aujourd’hui largement employée, que ce soit en spectroscopie ou en tant qu’oscillateur local dans des systèmes de réception.

Composants électroniques à l’état solide
Les sources électroniques traditionnelles, c’est-à-dire les oscillateurs et les amplificateurs, sont limitées par leurs caractéristiques intrinsèques, comme par exemple le temps de transit des porteurs, et par les termes parasites extrinsèques, notamment les éléments capacitifs. On observe ainsi une chute de puissance aux hautes fréquences. De nombreux progrès ont cependant été réalisés ces dernières années, et il nous semble donc important de faire un état de l’art de ce type de sources fonctionnant dans la gamme millimétrique et submillimétrique.

Table des matières

1 Applications et sources aux fréquences Térahertz
1.1 Les applications potentielles
1.1.1 Observation de l’environnement
1.1.2 Télécommunications du futur
1.1.3 Imagerie Térahertz
1.2 Sources fonctionnant au Térahertz
1.2.1 Génération directe
1.2.2 Génération indirecte
1.3 Conclusion
2 Emission Térahertz par photomélange
2.1 Principe du mélange de fréquences dans un photoconducteur
2.1.1 Le battement de fréquences
2.1.2 Photodétection du terme de battement
2.2 Théorie simplifiée du mélange de fréquences
2.2.1 Photodétection
2.2.2 Schéma électrique équivalent
2.3 Les différents éléments du dispositif de photomélange
2.3.1 Le GaAs epitaxié à basse température
2.3.2 Photodétecteur planaire
2.3.3 Antennes adaptées aux fréquences Térahertz
2.4 Caractérisation expérimentale
2.4.1 Dispositif expérimental
2.4.2 Résultats expérimentaux
3 Le photodétecteur vertical
3.1 Principe du photodétecteur vertical
3.1.1 Comparaison photodétecteur planaire/vertical
3.1.2 Géométrie et capacité
3.1.3 Principe technologique
3.1.4 Couche semi-transparente
3.2 Le report de couches épitaxiales
3.2.1 Les techniques de report
3.2.2 Mise en oeuvre de la technique de collage à l’aide du BCB
3.3 Les autres étapes technologiques
3.4 Résultats expérimentaux
3.4.1 Réponse statique
3.4.2 Comparaison en photomélange
3.5 Interprétation des résultats : régime de survitesse
3.5.1 Effets non stationnaires dans le GaAs
3.5.2 Interprétation des résultats
3.6 Vers le spectre 1.3 -1.5 microns
3.6.1 Utilisation de la queue d’absorption
3.6.2 L’InGaAs épitaxié à basse température
3.7 Conclusions et perspectives
4 Les lignes de propagations au Térahertz
4.1 Les lignes de propagation usuelles
4.1.1 La ligne microruban
4.1.2 Les lignes coplanaires : guide coplanaire (CPW) et ligne à deux rubans
(CPS)
4.2 Les pertes par radiation
4.2.1 Origine physique
4.2.2 Les lignes CPS et CPW
4.3 Effet des conditions aux limites sur les lignes CPS
4.3.1 Positionnement du problème
4.3.2 Dispositif étudié
4.3.3 Etude expérimentale
4.3.4 Simulation numérique
4.3.5 Conclusion
4.4 Nouvelles topologies pour réduire les pertes par radiation
4.4.1 Structuration du substrat
4.4.2 Structuration métallique
4.4.3 Conclusion
Bibliographie

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