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