Brevet FR3122741A1 — publié le 20221111

Procédé et dispositif d’analyse de modulation térahertz à cadence rapide, profonde et large bande La présente invention concerne un dispositif de modulation d’ondes terahertz comprenant un support primaire (1), un support secondaire (2), un laser (3), une membrane (4) solidaire du support primaire (1), un carter de protection constitué de deux coques (5.1) et (5.2), et un support de montage optique (6) solidarisé au carter par un écrou hexagonal (7) ; ledit dispositif est remarquable en ce qu’il comprend des moyens de modulation d'ondes térahertz basé sur une couche de semi-conducteur III-V dont la permittivité est optiquement modifiée par un processus de photogénération pour maximiser l'efficacité de modulation par des moyens de modulation de la permittivité qui est calculée en résolvant l'équation du taux ambipolaire pour les porteurs libres. Un autre objet de l’invention concerne un procédé de modulation térahertz à large bande. Figure 1 Procédé et dispositif d’analyse de modulation térahertz à cadence rapide, profonde et large bande La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'analyse de modulation térahertz à large bande accordable, en profondeur, polyvalent et à grande vitesse, et plus particulièrement, un modulateur d'ondes térahertz capable d'effectuer une modulation d'ondes térahertz basée sur le transport par injection et diffusion de paires électron-trou excitées par une lumière incidente et d'effectuer divers types de modulations sur la base de l'intensité d'une onde incidente et d'un matériau semi-conducteur III-V tel qu'un matériau d'arséniure d'indium. Etat de la technique Dans le domaine de la modulation de transmission dans les modulateurs térahertz commerciaux, il est bien connu quatre différents systèmes : les transistors III-V à haute mobilité électronique (HEMT), les circuits en silicium à métal-oxyde-semiconducteur complémentaire (CMOS), les microbolomètres et les dispositifs pyroélectriques qui fonctionnent à température ambiante. Tous ces systèmes de modulation présentent néanmoins plusieurs inconvénients : encombrement, faible vitesse de modulation, modulation peu profonde à température ambiante et plage de fonctionnement étroite dans les fréquences THz. En particulier, diverses méthodes d'utilisation d'une onde térahertz nouvellement développée dans une gamme d'ondes électromagnétiques ont été proposées récemment. Un exemple de ces méthodes peut inclure une méthode d'utilisation de la résonance plasmonique de surface du concepteur générée dans une onde térahertz, une méthode d'utilisation d'un métamatériau, une méthode de contrôle de l'amplitude d'une onde térahertz basée sur une méthode d'excitation d'électrons libres dans un semi-conducteur III-V, et autres. On connaît notamment le document US2014/001379A1, dans lequel on a poussé l'efficacité de la modulation encore plus loin en utilisant un matériau organique. Les lasers femtosecondes à verrouillage de mode des années 1990 ont favorisé le développement de la spectroscopie THz dans le domaine temporel (THz-TDS). Il s'agit d'une première étape pour démontrer la possibilité de détection et d'imagerie THz pour la première fois. Cependant, elle nécessite une puissance de pompage élevée pour obtenir une modulation significative de la biréfringence du cristal capteur. Malgré ses performances, il était encombrant et coûteux. Les métasurfaces constituent une autre approche du contrôle du rayonnement des ondes THz. Les métasurfaces sont des composants passifs qui offrent une plateforme polyvalente pour manipuler la phase, la polarisation ou l'intensité des ondes électromagnétiques. Cependant, ces métasurfaces fonctionnent dans une fréquence térahertz étroite. Des composants actifs tels que des composants hybrides ont été étudiés mais ils sont limités par les actions spectrales et de modulation puisque le décalage spectral pour les résonances s'accompagne d'une efficacité décroissante. Des métasurfaces multicouches ont été créées pour moduler une fréquence spécifique, cependant, cette approche est limitée dans l'accordabilité large bande en raison de la géométrie statique des structures. Des métasurfaces multicouches avec une surface structurée 1D ont été créées pour avoir un contrôle dynamique de la polarisation électrique ou magnétique des ondes térahertz. Des métasurfaces multicouches avec une surface structurée en 2D ont été créées pour avoir un contrôle dynamique des propriétés de chiralité des ondes térahertz. Les tentatives de modulation des ondes térahertz directement à partir de la source térahertz pour contrôler l'amplitude, la phase, la polarisation, etc., d'une longueur d'onde de transmission dans diverses gammes d'ondes électromagnétiques, ont été largement réalisées, mais la vitesse de modulation et la cohérence de l'onde térahertz générée sont limitées. La détection synchrone térahertz n'a pas été largement utilisée en raison de la vitesse de modulation trop faible de la source térahertz. Cela reste un obstacle important pour les applications térahertz qui dépendent d'une modulation rapide (par exemple, l'imagerie en temps réel). Les tentatives d'amélioration du rapport signal/bruit (SNR) dans la détection térahertz sont très populaires pour obtenir le maximum d'informations. Cependant, la modulation des ondes térahertz est limitée à quelques centaines de kHz, ce qui est la modulation maximale de la source térahertz et limite le SNR pour les applications d'imagerie. La raison principale pour laquelle la technologie térahertz n'a pas encore été mise en œuvre dans le domaine des applications est due au manque d'instrumentation. La source et la détection térahertz sont des technologies matures puisqu'elles ont réutilisé des technologies disponibles dans d'autres gammes de fréquences ; c'est pourquoi nous disposons d'une large gamme d'instrumentation. Cependant, il y a encore un manque de modulateurs térahertz en raison du manque de matériaux électro-optiques sensibles devant une onde térahertz pour créer des modulateurs térahertz polyvalents. Divulgation de l’invention La présente invention vise à fournir un modulateur d'onde térahertz capable de modifier de manière variée une onde térahertz transmise et de maximiser l'efficacité de la modulation couplée à une méthode pilotée par logiciel par le biais d'un micrologiciel et d'une commande électronique. En outre, la présente invention vise à fournir un dispositif de commutation d'onde térahertz capable de moduler la transmission d'une onde térahertz à température ambiante et de moduler uniformément l'amplitude sur une large bande de la gamme térahertz. De plus, le dispositif passif (lame optique) est maintenant entièrement actif en ayant la caractéristique de réfléchir et d'absorber dynamiquement l'onde térahertz. La présente invention intègre un outil unique de simulation térahertz qui aide l'utilisateur à mieux comprendre le phénomène physique en jeu et à calculer la meilleure combinaison de paramètres pour une application donnée. La présente invention intègre un logiciel et un micrologiciel qui permettent un contrôle total du dispositif tout en obtenant des informations en temps réel. A cet effet, et conformément à l’invention, il est proposé un dispositif de modulation d’ondes terahertz comprenant un support primaire, un support secondaire, un laser, une membrane solidaire du support primaire, un carter de protection constitué de deux coques, et un support de montage optique solidarisé au carter par un écrou hexagonal ; remarquable en ce qu’il comprend des moyens de modulation d'ondes térahertz basé sur une couche de semi-conducteur III-V dont la permittivité est optiquement modifiée par un processus de photogénération pour maximiser l'efficacité de modulation par des moyens de modulation de la permittivité qui est calculée en résolvant l'équation du taux ambipolaire pour les porteurs libres. Par ailleurs, il comprend des moyens pour moduler la largeur de la longueur d'onde, l'amplitude, la phase, et autres, par la déformation de la forme d'onde dans le domaine temporel, couplés avec le plasmon de surface du concepteur ou le métamatériau. Un autre objet de l’invention concerne un procédé de modulation d’ondes terahertz comprenant un support primaire, un support secondaire, un laser, une membrane solidaire du support primaire, un carter de protection constitué de deux coques, et un support de montage optique solidarisé au carter par un écrou hexagonal ; remarquable en ce qu’il comporte une étape de modification optique de la permitivité d’une couche de semi-conducteur III-V par un processus de photogénération pour maximiser l'efficacité de modulation par des moyens de modulation de la permittivité qui est calculée en résolvant l'équation du taux ambipolaire pour les porteurs libres. Ledit procédé comporte également une étape de modulation de la largeur de la longueur d'onde, l'amplitude, la phase, et autres, par la déformation de la forme d'onde dans le domaine temporel, couplés avec le plasmon de surface du concepteur ou le métamatériau. Cette technique attrayante, associée à une méthode basée sur l'analyse ligne par ligne, permet d'obtenir un dispositif polyvalent, à modulation de profondeur, entièrement reconfigurable et à grande vitesse, fonctionnant sur une large gamme de fréquences dans la plage des térahertz. Afin de contrôler le dispositif, un micrologiciel et un logiciel sont nécessaires. Le micrologiciel générera des signaux à haute résolution et contrôlera la modulation avec une grande précision. Le logiciel fournira quant à lui une méthode d'évaluation de la qualité de la mesure de la modulation des ondes térahertz à travers une interface conviviale permettant de piloter l'ensemble du système. Le logiciel contiendra également une section de simulation où l'utilisateur pourra effectuer des simulations théoriques et mieux comprendre le phénomène térahertz. D’autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre d’une unique variante d’exécution, donnée à titre d’exemple non limitatif, du procédé et du dispositif d’analyse de modulation térahertz à large bande conformes à l’invention, en référence au dessin unique annexé représentant une vue en perspective éclatée. Mode de réalisation de l’invention Selon un aspect de la présente invention, il est prévu un modulateur d'ondes térahertz, comprenant : (a) (i) un substrat semi-conducteur III-V qui est la couche de modulation térahertz ; et (b) une première unité de rayonnement d'onde térahertz à incidence verticale rayonnant une première onde incidente comprenant une région d'onde térahertz devant être incidente verticalement sur la couche de modulation térahertz. La couche de matériau semi-conducteur III-V peut être non dopée ou dopée, telle qu'une membrane d'arséniure d'indium acquise dans le commerce ou par croissance épitaxiale. La couche de matériau semi-conducteur III-V peut être déposée sur un support par une colle époxy. L'épaisseur appropriée de la couche de matériau semi-conducteur III-V peut être obtenue par des méthodes de gravure chimique pour lisser la surface. Le modulateur d'onde térahertz peut en outre comprendre : (c) une seconde unité de rayonnement d'onde incidente qui rayonne la région d'onde térahertz, à un angle contrôlé (optimisé à l'angle de Brewster qui est de 74 degrés dans le matériau d'arséniure d'indium) pour être incident sur la couche de modulation térahertz. La seconde onde incidente est une onde collimatée dans le proche infrarouge (par exemple à 808 nm) qui peut être une onde continue ou pulsée. La région d'onde térahertz sur la couche de modulation térahertz doit être irradiée de manière homogène par le rayonnement de la seconde onde incidente ayant un modèle de diamètre de point prédéterminé, plus grand que le diamètre du support et du trou. L'onde térahertz pénètre la membrane semi-conductrice III-V telle que l'arséniure d'indium située sur le support de maintien. Ainsi, en référence à la , le dispositif est constitué d’un support primaire 1, d’un support secondaire 2, d’un laser 3, d’une membrane 4 solidaire du support primaire 1, d’un carter de protection constitué de deux coques 5.1 et 5.2, et d’un support de montage optique 6 solidarisé au carter par un écrou hexagonal 7. Selon un autre aspect de la présente invention, il est prévu un dispositif de commutation d'onde térahertz, comprenant : le modulateur térahertz et comprenant en outre une unité de commande de rayonnement de seconde onde incidente déterminant si la seconde onde incidente est rayonnée. Le simulateur présent dans le logiciel contient une logique métier directement issue de travaux théoriques et traduite dans un langage de programmation. Ce langage de programmation doit être optimisé pour les calculs lourds ainsi que pour le traitement des images. Un protocole de communication a été établi entre le logiciel et le matériel en utilisant la communication série qui est un standard industriel. Toutes les communications entre le logiciel et le micrologiciel sont soumises à des contrôles de sanité. N'importe quel cadre d'interface utilisateur ou langage de programmation peut réaliser la même expérience d'interface utilisateur mais ledit langage doit supporter les protocoles de communication et également dessiner des graphiques et générer des images. Comme indiqué précédemment, selon les modes de réalisation de la présente invention, le modulateur d'ondes térahertz basé sur une couche de semi-conducteur III-V dont la permittivité est optiquement modifiée par un processus de photogénération peut maximiser l'efficacité de modulation en utilisant la modulation de la permittivité qui est calculée en résolvant l'équation du taux ambipolaire pour les porteurs libres. L'intensité de l'onde incidente, fournit le dispositif pour moduler la largeur de la longueur d'onde, l'amplitude, la phase, et autres, par la déformation de la forme d'onde dans le domaine temporel, et peut être mis en œuvre comme le dispositif de modulation d'onde térahertz hautement fonctionnel en étant couplé avec le plasmon de surface du concepteur ou le métamatériau pour être largement utilisé à des fins optiques. Ainsi, la présente invention permet le contrôle efficace et dynamique des ondes THz incidentes sur une large gamme de fréquences dans la gamme térahertz avec une lumière incidente à très faible intensité de pompage. En mélangeant la théorie de la physique fondamentale (par exemple, les équations de Maxwell et de transfert) avec les données du système embarqué en temps réel, nous fournissons à l'utilisateur un outil unique pour calculer les paramètres optimaux du système. Cela ouvre la porte à des fonctions d'apprentissage automatique à l'avenir. Simuler la structure d'un modulateur terahertz piloté par photo-génération. Les paramètres d'entrée seront fournis par l'utilisateur tels que : Fréquence centrale Térahertz Onde térahertz continue Onde Térahertz pulsée Un laser infrarouge de valeur d'intensité d'irradiation Onde continue Onde modulée Onde pulsée Architecture du matériau semi-conducteur III-V Épaisseur du matériau basée sur les semi-conducteurs III-V Épaisseurs de matériaux multicouches à base de semi-conducteurs III-V Structuration de surface des épaisseurs de matériaux multicouches à base de semi-conducteurs III-V - Le développement de la R&D : La méthode est réalisée par des calculs numériques en langage C++ comme cela est décrit ci-après. Dans le code du logiciel, nous pouvons considérer une membrane multicouche structurée, ou une membrane multicouche, ou simplement une membrane simple se tenant dans l'air à température ambiante. La membrane est irradiée par une onde plane à 74° qui correspond à l'angle de Brewster du matériau InAs à une longueur d'onde infrarouge de 808nm ou proche, cela correspond à l'émission d'un laser commercial où la réflexion du laser infrarouge est réduite au minimum. La permittivité de la membrane à base de semi-conducteurs III-V est décrite par un modèle Lorentz-Drude où les paramètres du matériau III-V sont liés à la fréquence infrarouge. Le champ électrique total normalisé est calculé par la méthode de la matrice de diffusion. La pompe IR génère des porteurs photogénérés à l'intérieur de la membrane semi-conductrice III-V dont la densité de porteurs photogénérés est pilotée par l'équation de transport ambipolaire. Les porteurs photogénérés vont diffuser à l'intérieur de la membrane à une distance liée à la longueur de diffusion ambipolaire. La longueur de diffusion ambipolaire sur la membrane dépend de la durée de vie effective de recombinaison des porteurs photogénérés qui prend en compte la recombinaison Auger, la recombinaison radiative et le processus de recombinaison Shockey-Read Hall. L'équation ambipolaire est hautement non linéaire en raison de la dépendance de la longueur de diffusion ambipolaire de la densité de porteurs photogénérés. Ce logiciel peut être couplé à une section système embarqué afin d'introduire les commandes dans un matériel compact et ergonomique. Les résultats des sorties sont livrés à l'utilisateur : Les résultats des calculs numériques seront donnés sous forme de graphique où dans l'"axe x" on illustre la gamme d'ondes électromagnétiques térahertz et dans l'"axe y" on présente l'absorption, la réflexion et la transmission normalisées de l'onde térahertz traversant la modélisation et la simulation de la membrane personnalisée. Cette section Multiphysique du logiciel pourra adopter de nouvelles fonctionnalités et analyses telles que les effets plasmoniques, l'irradiation de nouvelles sources infrarouges aux ondes térahertz parmi beaucoup d'autres dans l'industrie térahertz et photonique. Cette section du système embarqué est chargée de l'intelligence du produit en envoyant des commandes par communication série du logiciel au matériel. Cette section synchronise la multiphysique, l'électronique et l'optique afin d'obtenir une solution industrielle innovante pour contrôler dynamiquement les ondes térahertz à grande vitesse, avec une accordabilité à large bande et une modulation en profondeur. La synchronisation et aussi l'interprétation des commandes est le noyau fondamental de l’invention. - Les paramètres d'entrée sont : Nombre de membranes Cette valeur sera corrélée à une base de données privée de TeraWorks. La valeur de l'intensité du laser infrarouge Onde continue Onde modulée Onde pulsée Fréquence térahertz centrale Onde térahertz continue Onde Térahertz pulsée - Le développement R&D : Le système embarqué est réalisé en langage C et les principales commandes à exécuter par le matériel sont décrites ci-après : Le système embarqué enverra des commandes via une communication série au matériel qui interprétera les commandes. Fondamentalement, les commandes sont différentes opérations de mode laser telles que : Mode 1 : ▪ Réglage de la variation d'intensité du laser IR de 0 à 10W/cm^2 Mode 2 : ▪ Réglage de la modulation de fréquence TTL jusqu'à 2MHz Mode 3 : ▪ Réglage de la largeur d'impulsion du laser IP Mode 4 : ▪ Réglage du délai du laser IR - Les résultats des sorties livrés à l'utilisateur : Ces commandes permettent un contrôle complet du laser IR induisant en même temps un contrôle complet des ondes térahertz avec une accordabilité à large bande, une modulation en profondeur et une modulation de fréquence à grande vitesse. Par ailleurs, la cadence de modulation rapide Terahertz permet d’améliorer significativement les systèmes d’imagerie en réduisant le temps par un facteur 20 pour atteindre le meilleur rapport signal-bruit de la caméra Terahertz pour l’imagerie Terahertz. Ainsi, la modulation maximale de l’imagerie Terahertz de l’art antérieur est de l’ordre de 100 kHz et alors que, suivant l’invention, il est obtenu 2MHz en cadence de modulation. La plate-forme embarquée fonctionnera en utilisant les mêmes paramètres d'entrée que ceux ajoutés dans la section du logiciel. La synchronisation des sections Multiphysique et Système embarqué du logiciel donne à l'utilisateur un contrôle complet en testant en temps réel dans le matériel qui rend les ondes et la technologie térahertz très conviviales. Par exemple, cette invention rendra possible la modélisation des membranes III-V, la simulation et le calcul numériques pour améliorer la connaissance des ondes térahertz et la comparaison entre le calcul numérique et les données expérimentales en temps réel des ondes électromagnétiques térahertz. Ainsi, cette invention basée sur un nouveau logiciel et un matériel offre une solution en matière de sources et de systèmes de détection térahertz : - Détecteurs térahertz : Améliore le rapport signal/bruit de la détection hétérodyne synchrone. - Sources térahertz : Modulent les ondes térahertz sans impacter votre générateur. La technologie logicielle et matérielle unique est prête pour une modulation de fréquence térahertz personnalisée. Fournissant une modulation à grande vitesse dans la gamme des MHz et une accordabilité à large bande térahertz jusqu'à 10THz, les deux avec une modulation de profondeur. Le logiciel est capable d'unifier Multiphysique, Système Embarqué et Matériel pour un produit révolutionnaire qui est compact, ergonomique et de haute performance pour manipuler n'importe quel type de radiation térahertz. Le logiciel sera en mesure d'étendre la technologie térahertz à un public plus large, car aujourd'hui les ondes térahertz peuvent être étudiées sous des lignes de codes et pas aussi intuitives et interactives que ce que nous proposons par notre logiciel. On observera qu’il existe aujourd'hui sur le marché des logiciels multiphysiques tels que COMSOL ou CST studio. Cependant, ils ne sont pas spécialisés dans les ondes térahertz et n'ont pas les deux fonctionnalités pour simuler et contrôler le système embarqué pour envoyer des commandes du logiciel à l'outil matériel afin de contrôler un modulateur térahertz. Enfin, il est bien évident que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention. Dispositif de modulation d’ondes terahertz comprenant un support primaire (1), un support secondaire (2), un laser (3), une membrane (4) solidaire du support primaire (1), un carter de protection constitué de deux coques (5.1) et (5.2), et un support de montage optique (6) solidarisé au carter par un écrou hexagonal (7), caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de modulation d'ondes térahertz basé sur une couche de semi-conducteur III-V dont la permittivité est optiquement modifiée par un processus de photogénération pour maximiser l'efficacité de modulation par des moyens de modulation de la permittivité qui est calculée en résolvant l'équation du taux ambipolaire pour les porteurs libres. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comprend des moyens pour moduler la largeur de la longueur d'onde, l'amplitude, la phase, et autres, par la déformation de la forme d'onde dans le domaine temporel, couplés avec le plasmon de surface du concepteur ou le métamatériau. Procédé de modulation d’ondes terahertz comprenant un support primaire (1), un support secondaire (2), un laser (3), une membrane (4) solidaire du support primaire (1), un carter de protection constitué de deux coques (5.1) et (5.2), et un support de montage optique (6) solidarisé au carter par un écrou hexagonal (7), caractérisé en ce qu’il comporte une étape de modification optique de la permitivité d’une couche de semi-conducteur III-V par un processus de photogénération pour maximiser l'efficacité de modulation par des moyens de modulation de la permittivité qui est calculée en résolvant l'équation du taux ambipolaire pour les porteurs libres. Procédé suivant la revendication 3 caractérisé en ce qu’il comporte une étape de modulation de la largeur de la longueur d'onde, l'amplitude, la phase, et autres, par la déformation de la forme d'onde dans le domaine temporel, couplés avec le plasmon de surface du concepteur ou le métamatériau.