Brevet FR3090201A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : RECEPTEUR THz LARGE BANDE UTILISANT DES CRISTAUX SEMI-CONDUCTEURS MODELISES EPAIS Domaine technique 100011 La présente invention concerne la combinaison de cristaux semi-conducteurs modélisés et de sources laser femtoseconde pour une détection large bande de transitoires THz. 100021 ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION 100031 La détection efficace d'un rayonnement THz à des fréquences supérieures à 2 THz repose sur une technologie au-delà de celle d'antennes photoconductrices ou de commutateurs photoconducteurs. Des cristaux semi-conducteurs possédant une non-linéarité optique du second ordre sont typiquement utilisés dans ce but, où un échantillonnage électro-optique permet une détection de transitoires THz à verrouillage de phase sur plusieurs plages de fréquences par l'intermédiaire de techniques de détection ellipsométriques. L'inconvénient classique de tels cristaux repose sur le fait que leurs bandes passantes de fonctionnement et leurs sensibilités sont inversement liées. De ce fait, différents matériaux cristallins, possédant différentes épaisseurs, doivent être utilisés pour différentes plages spectrales. Ces restrictions surviennent en raison des propriétés de matériau de cristaux individuels, et peuvent être surmontées par un alignement complexe ou des géométries non colinéaires, cependant, puisqu'une génération THz est invisible et difficile à détecter, cette option n'est pas facilement extensible. [0004] RESUME [0005] Selon un aspect de la présente invention, il est fourni un procédé et un système pour obtenir un alignement non colinéaire correct de l'impulsion proche infrarouge par l'intermédiaire d'une détection de l'impulsion THz à travers un réseau de diffraction modélisé sur la surface du semi-conducteur. Le réseau permet une augmentation simultanée de la bande passante de fonctionnement et de la sensibilité de la configuration d'échantillonnage électro-optique, de telle sorte que des cristaux épais peuvent être utilisés sans compromettre la bande passante de détection spectrale. [0006] Selon un aspect supplémentaire, il est fourni un cristal semi-conducteur, orienté le long de l'axe . Selon un exemple, le cristal est modélisé à l'aide de techniques de lithographie de faisceau électronique conventionnelles, pour dévier un proche infrarouge (NIR) incident à un angle par rapport au faisceau THz se propageant en simultané. L'angle de déviation, et ainsi un espacement entre les lignes dans le réseau 2 fabriqué, peuvent être sélectionnés sur la base du matériau en utilisation. Selon un exemple, un phosphure de gallium est utilisé où le pas de réseau de 1,635 micromètres sert à pratiquement doubler la bande passante et l'efficacité de la détection THz. [0007] Selon un aspect, il est fourni un dispositif comprenant un cristal semi-conducteur ayant un réseau modélisé sur une surface du semi-conducteur. [0008] Selon un aspect supplémentaire, il est fourni un dispositif comprenant en outre une laine quart d'onde après le cristal semi-conducteur, suivie d'un prisme. Selon encore un aspect supplémentaire, une paire de photodiodes équilibrées quit après le prisme. [0009] Selon encore un aspect supplémentaire, le dispositif comprend en outre un laser à im- pulsions dans lequel l'impulsion ayant un faisceau NIR et un faisceau THz est envoyée à travers le cristal semi-conducteur vers la lame quart d'onde vers le prisme vers les photodiodes, le réseau modélisé sur le cristal semi-conducteur diffractant le faisceau NIR tandis que le THz reste non affecté. [0010] Selon un aspect supplémentaire, le dispositif possède un réseau modélisé qui est un réseau de phase ayant un motif rectangulaire avec une période de 1,635 micromètres. [0011] Selon encore un aspect supplémentaire, le dispositif possède un réseau modélisé qui est un réseau à période variable pour élargir davantage la bande passante de détection et fournir un multiplexage spatial pour une efficacité de détection de signal améliorée. Figures [0012] L'invention sera mieux comprise en référence aux dessins suivants représentant des modes de réalisation à titre d'exemple dans lesquels : [0013] [fig.1] représente un schéma de principe de l'interaction non linéaire entre l'impulsion THz et l'impulsion de détection proche infrarouge lorsqu'elle subit une réfraction par le réseau de phase situé sur la surface du semi-conducteur. [0014] [fig.2] représente un schéma d'échantillonnage électro-optique comprenant un semi- conducteur modulé spatialernent pour une détection Tliz large bande et sensible. [0015] DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES [0016] Un mode de réalisation à titre d'exemple est représenté à la Figure 1 qui illustre un schéma de principe de l'interaction non linéaire entre l'impulsion THz 10 et l'impulsion de détection proche infrarouge 12 lorsqu'elle subit une réfraction par le réseau de phase 14 situé sur la surface du semi-conducteur 16. [0017] Dans un mode de réalisation à titre d'exemple supplémentaire, il est fourni un dispositif consistant en un matériau semi-conducteur modélisé pour fournir une bande passante et une efficacité de détection améliorées d'impulsions térahertz (THz) avec un échantillonnage électro-optique. Tel que représenté à la Figure 1, deux faisceaux sont entrés sur le dispositif, un à des fréquences THz et un à des fréquences proche infrarouge (NIR). Un échantillonnage électro-optique standard repose sur une interaction 3 optique non linéaire entre ces deux faisceaux colinéaires. La présente invention utilise une modulation de surface périodique, ou un réseau de phase, sur le cristal de détection électro-optique pour diffracter le faisceau NIR tandis que le THz, à une longueur d'onde plus longue, reste non affecté. Cette géométrie non colinéaire permet à des conditions d'adaptation de phase d'être satisfaites sur une plage spectrale plus large et permet une détection THz large bande par l'intermédiaire d'un échantillonnage électrooptique. Elle permet également l'utilisation d'un cristal semi-conducteur épais qui rend maximale la longueur d'interaction non linéaire entre l'impulsion THz et l'impulsion NIR et, en conséquence, améliore la sensibilité de détection sans compromettre la bande passante de détection. De plus, le réseau peut être orienté de telle sorte que le signal proche infrarouge à polarisation p généré en conséquence de l'interaction non linéaire avec l'impulsion THz possède un coefficient de réflexion de Fresnel inférieur au niveau de la surface arrière du réseau par rapport à la composante à polarisation s d'arrière-plan. Ceci améliore davantage la sensibilité de détection de la conception. La présente invention peut être généralisée à plusieurs matériaux et repose sur des processus de fabrication lithographique conventionnels. [0018] Selon un mode de réalisation à titre d'exemple supplémentaire, la Figure 2 représente un schéma d'échantillonnage électro-optique comprenant le semi-conducteur modulé spatialcment (GaP) 20 pour une détection THz large bande et sensible. Après le cristal semi-conducteur, le faisceau traverse une lame quart d'onde (L/4) 21 et un prisme de Wollaston (WP) 22 avant qu'il ne soit détecté par une paire de photodiodes équilibrées (BPD) 23. [0019] Un mode de réalisation implique la modélisation d'un réseau de phase rectangulaire avec une période de 1,635 micromètres dans un semi-conducteur de phosphure de gallium. Ce mode de réalisation permet une détection optique non linéaire d'un rayonnement THz tel que représenté à la Figure 1. [0020] La diffraction de lumière NIR à un angle approprié améliore une adaptation de phase avec un rayonnement THz en route vers la configuration d'échantillonnage électrooptique (FOS) représentée à la Figure 2. Des variantes peuvent exister, par exemple, dans l'utilisation de différentes périodes de réseau et d'autres types de cristaux semiconducteurs. La période du réseau peut être définie sur la base du matériau et de la plage de fréquences d'intérêt. [0021] Selon un mode de réalisation à titre d'exemple supplémentaire, il est fourni un dispositif comprenant un cristal semi-conducteur modélisé qui dévie un rayonnement NIR incident pour améliorer une adaptation de phase pour une détection optique non linéaire d'un rayonnement THz à travers un échantillonnage électro-optique. Selon un aspect supplémentaire, l'utilisation d'un réseau de phase linéaire exploite une diffraction pour améliorer l'adaptation de phase. Selon encore un aspect supplémentaire, l'utilisation de motifs alternatifs, tels que des réseaux à période variable élargit davantage la bande passante de détection et fournit un multiplexage spatial pour une efficacité de détection de signal améliorée. [0022] TI sera compris par l'homme du métier que des variantes peuvent exister dans les agencements et les applications décrits ci-dessus. La portée des revendications ne devrait pas être limitée par les modes de réalisation préférés représentés dans les exemples, niais devrait être donnée par l'interprétation la plus large en cohérence avec la description dans sa globalité. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7]