Activités en Opto-Microondes au LAHC - Université de Savoie Optoélectronique ultrarapide LAHC.
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Activités en Opto-Microondes au LAHC - Université de Savoie
Optoélectronique ultrarapide
LAHC
Optoélectronique ultrarapide
femtoseconde térahertz
activité démarrée en 1994
- semi-conducteurs ultrarapides3 thèmes - spectroscopie térahertz
- échantillonnage électro-optique
4 permanents : J.-L. Coutaz, L. Duvillaret, F. Garet, J.-F. Roux2 doctorants : F. Aquistapace, H. Eusèbe2 thèses soutenues : F. Garet (1998), S. Rialland (2000)1 HDR soutenue : L. Duvillaret (2002)
Thématique générale
Génération et caractérisation par voie optoélectronique, et utilisation d'impulsions
électriques picosecondes et sub-picosecondes
photo-commutateursredressement optique
techniques d'échantillonnage signaux temporels picoseconde
FFT signaux fréquentiels térahertz
impulsion laser fs
impulsion électrique ps
Génération : photo-commutation
semi-conducteurs : - ultrarapides : durée de vie des porteurs < ps- efficaces : grande mobilité- fort contraste : matériaux intrinsèques
laserguided signalsphotodetectors
radiated signals” THz antennae”
SC III-V non stœchiométriquesBe:LT-GaAs
Étude de la dynamique de porteurs dans LT-GaAs
0.1
1
10
100
1 10 100 1000 104
Car
rier
life
time
(ps)
Carrier mobility (cm2/V/s)
amorphous andpolycristalline Si
LT-GaAsBe:LT-GaAs
poly-CdTe
LT-CdTe
LT-InAlAs
LT-Ga on Si
RD-SOS
ii-InP
expériences de type pompe sonde- réflectivité- transmission- Z-scan (Vilnius)- luminescence (Stockholm)- photoconductivité
modèle taux de population+ bandfilling+ saturation des pièges+ renormalisation + ...
physique du semi-conducteur
Dynamique et modèle pour Be:LT-GaAsTransmission of sample
[Be]=3 1017cm-3, Tal = 650°CReflectivity of sample
[Be]=2 1019cm-3, Tal = 500°C
elec=1 10-13 cm2
hole=1.5 10-15 cm2CB
traps
VB
Be
CB
traps
VB
Bepumpprobe
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
2 4 6 8 10 12
theoryexperiment
Dif
fere
ntia
l tr
ansm
itta
nce
(A. U
.)
Delay time (ps)
0
1
2
3
0 5 10 15 20
T (
A.U
.)
Delay time (ps)
Calculated variation of absorption
Experimental variation of transmittance
Probe wavelength 1.47 µm
[AsGa0]=2 1017 cm-3
[AsGa+]=4 1017cm-3
[AsGa0]=2 1017 cm-3
[AsGa+]=1 1019cm-3
R (
A.U
)
Photo-commutateurs picosecondes
V
30 V
generationshortening
0
0.5
1
1.5
2
-5 0 5 10 15 20
Vol
tage
(no
rmal
ized
)
Time (ps)
72 mW
3.2 mW
12 mW
24 mW
42 mW
1.5 ps risetime photoswitch response time
saturation of trap levelcarrier trapping cross-section
=1x10-13 cm-2
magnitude of signalelectron mobility
640 V/cm2/s
J.-F. Roux et al.submitted to APL
10 µm
Spectroscopie THz
e-
laser
)(tJdt
pd
h+
dttJdtE )()(
)(tJ
+-p
p = q a
- +
dipole
p
a
SC ultra rapides J(t) ~ ps THz dJ/dt >> 1 signal intense
laser
)(tETHz
')'(()'()()( dtdtttIttEI laserTHz
Spectroscopie THz : signaux temporels
laser fs
emitter
receiver
delay line
bias
I-V preamp
lock in
chopper
sample at the THzbeam waist
0 5 10 15 20 25 30 35-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Cu
rre
nt
(nA
)
Time (ps)
-80
-60
-40
-20
0
0 1 2 3 4 5
Spec
tral p
ower
am
plitu
de (d
B)
Frequency (THz)
Spectroscopie THz : matériaux
0 10 20 30 40 50 60 70
-500
0
500
1000
1500
Cur
rent
(pA
)
Time (ps)
1.41
1.42
1.43
1.44
0
1
2
3
4
5
6
7
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Ref
ract
ive
inde
x
Absorption (cm
-1)
Frequency (THz)
Teflon®
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
0 250 500 750 1000 1250 1500
refr
activ
e in
dex
frequency (GHz)
p-Si ( = 0.6 cm)
n-Si ( = 1.02 cm)
Spectroscopie THzOriginalité de nos travaux- précision (n=0.1 %, <1 cm-1 L~µm (/1000 !))- répétabilité- bruit
Matériaux étudiés - semi-conducteurs : Si, GaAs ...- silicium poreux- photoresist (SU8)- diélectriques : LiNbO3, verre, SiO2 ...- organiques : PMMA, PEEK, téflon ...- encres- liquides...
Dispositifs étudiés - BIP, coupleurs à réseaux ...
Expériences pompe optique-sonde THz
films d'or nanométriques
guides d'ondes THz
Fils d'or nanométriques
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 50 100 150 200 250 300
200 GHz
500 GHz
1000 GHz
2000 GHz
200
GH
z
Thickness (A)
Tran
smis
sio
n
agrégats non jointifsdiélectriquemilieu effectif
agrégats prochespercolation
agrégats jointifsfilm continumétal Drude
Au sur Si : évaporation
Guides d'ondes THz
grating couplerki + m 2/d = km
couplingkm= kguided
d~ ~/10
k m
k i
k guided
d
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
200 400 600 800 1000
Tra
nsm
issi
on c
oeff
icie
nt
Frequency (GHz)
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0 200 400 600 800 1000
Eff
ecti
ve r
efar
ctiv
e in
dex
Frequency (GHz)
Échantillonnage électro-optique (EOS)
1222
)1()1()1(
654
32222
2122
xyErxzEryzEr
Ern
zErn
yErn
x
jjjjjj
jjz
jjy
jjx12
222
22
zyx nz
ny
nx
appliedfield
laserapplied field
fEO crystal
thickness
jij dxEr
EO (Pockels) effect
THz signal
laser
crystal orientation (axis)
could be as small as 10-7 rad
Échantillonnage électro-optique (EOS)
En
En
K
E
k
electricalfield
light
crystal
sensitivity vector
EKEnnEn
)0()(
KNbO3
0 200 400 700 pm/V
0 50 100 150 pm/V
LiNbO3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180qH°L
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
j H°L
0°
180°
90°
0° 90°
180°
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180qH°L
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
j H°L
0°
180°
90°
0° 180°90°
=90°=80°
Échantillonnage électro-optique (EOS)
-0.002
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0 5 10 15 20
Sig
nal su
r la
lig
ne (
u.a
.)
Temps (ps)
0 0,190,43 0,59
0,71 mm
probe beam
LT-GaAs
1 cm100 µm thick LiTaO3 layer
Time (ps)
Vol
tage
sig
nal (
A.U
.)
x
x
Travaux actuels et perspectivesEOSsonde compacte et fibrée (N. Breuil et al., Thales)cristal EO DAST (H. Ito, Tohoku)circuits sur SOI (Lemoine, Thales TRT et avec Ph. Ferrari, LAHC)
Spectroscopie THzguides d'onde, fibre THzgénération THz par battement optique projet Gelacote ACI Photonique
(Bretenaker, Rennes, Chusseau, Montpellier et Fontaine, Toulouse)antennes fractales (L. Chusseau, CEM2 Montpellier)réseaux excités dans la bande interdite (O. Parriaux, TSI St Etienne)mesure simultanée de µ et e (P. Kuzel, Prague)dynamique de vortex dans les supraconducteurs
(P. Xavier, D. Rauly, J. Richard, CRTBT Grenoble)dispositifs THz pilotables projet Complet, ACI Jeune Chercheur
(P. Xavier, D. Rauly, J. Richard, CRTBT Grenoble)(P. Kuzel, Prague)
Semiconducteurs et photo-commutateursoptimisation de photo-commutateurs en Be:LT-GaAs
(A. Krotkus, Vilnius)effets d'optique non linéaires dans LT-GaAs projet TeraBoost soumis à IST-CEE
Autres collaborationsSur tous les sujets ou presque :
- John Whitaker, University of Michigan, Ann Arbor- Arunas Krotkus, Semiconductor Physics Institute, Vilnius, projet NATO SfP Terahertz radiation systems
SC ultrarapides- projet DUO Inco-CEE 1998-2001 coordination LAHC
Krotkus (Vilnius), Kaminska (Varsovie), Marcinkevicius (KTH Stockhom)- projet TERABOOST IST-CEE soumis coordination LAHC
DUO + Laybourn (Glasgow), Hatzopoulos (Heraklion), Jarasiunas (Vilnius)
- Shuang, Singapour
Spectroscopie THz- network of excellence TERANOVA, en préparation, coordination Chamberlain et Miles, Leeds
Arnone TeraView Ltd Cambridge, Linfield Cambridge, Faist Neuchatel, Haring-BolivarAachen, Jepsen Freiburg, Kuzel Prague, Lippens Lille, Planken Delft, Roskos Frankfurt, Sirtori Thales Orsay, Stingl Femtolasers Wien, Tredicuci Pisa, Unterrainer Wien
- Lourtioz et Tchenolkov, IEF Orsay, Lippens, IEMN Lille, Bechevet, LETI Grenoble, Barret, LSP Grenoble
Autres : Mach-Zehnder opto-microondes- S. Tedjini, INPG, Valence