Modélisation et fabrication de réseaux linéaires de photodétecteurs ultrarapides pour la génération et la détection d'ondes thz. // modeling and fabrication of linear arrays of ultrafast photodetectors for thz wave generation and detection.

Topic description

Le domaine des ondes térahertz (THz) connaît un développement rapide en raison de ses applications potentielles en imagerie, spectroscopie, télécommunications à très haut débit et détection. Parmi les différentes technologies existantes, les sources THz basées sur le photomélange constituent une solution particulièrement attractive car elles fonctionnent en régime continu, à température ambiante et offrent une large bande de fonctionnement. Cette technique repose sur la détection optoélectronique du battement de fréquence généré par la superposition de deux lasers infrarouges, permettant une conversion de fréquence depuis l'infrarouge (~ THz) vers le domaine THz (~1 THz).

Cependant, la puissance générée par les photomélangeurs reste limitée, typiquement de l'ordre de quelques dizaines de microwatts à 1 THz. Cette limitation provient principalement du compromis entre la réduction de la capacité électrique des photodétecteurs, qui impose des dimensions très faibles, et la nécessité d'obtenir un photocourant élevé afin de générer une puissance THz significative.

Une approche prometteuse pour dépasser cette limitation consiste à utiliser des réseaux de photodétecteurs ultrarapides permettant l'addition cohérente des courants générés par plusieurs composants élémentaires. Ces architectures permettent d'augmenter le courant de saturation et la puissance générée tout en conservant une large bande passante.

L'objectif de cette thèse est de concevoir, modéliser, fabriquer et caractériser des réseaux linéaires de photodétecteurs ultrarapides destinés à la génération et à la détection d'ondes THz. Des méthodes analytiques basées sur les matrices de transfert seront d'abord utilisées afin d'établir des règles de conception optimales. Des simulations électromagnétiques 3D seront ensuite réalisées afin de concevoir un réseau de huit photodétecteurs. Les dispositifs seront fabriqués sur les plateformes de micro-fabrication de l'IEMN puis caractérisés optiquement et électriquement jusqu'à GHz.

Ces travaux devraient permettre de démontrer une nouvelle génération de photodétecteurs THz à très large bande passante (> GHz) et à fort courant de saturation, ouvrant la voie à des sources THz compactes et performantes.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The terahertz (THz) frequency range has attracted growing interest due to its potential applications in imaging, spectroscopy, high-speed wireless communications, and sensing. Among the different THz generation techniques, photomixing is one of the most promising solutions because it operates in continuous-wave regime at room temperature and offers intrinsically broadband operation. Photomixing relies on the optoelectronic detection of the beat frequency generated by the spatial superposition of two infrared lasers, enabling frequency down-conversion from optical frequencies (~ THz) to the THz range (~1 THz).

However, the output power of photomixers remains limited, typically around a few tens of microwatts at 1 THz. This limitation mainly arises from the trade-off between the small size of the photodetector, required to minimize its electrical capacitance, and the high photocurrent needed to generate significant THz power.

A promising approach to overcome this limitation consists of using arrays of ultrafast photodetectors allowing the coherent addition of the currents generated by several elementary devices. Such architectures can significantly increase the saturation current and output power while preserving a very wide bandwidth.

The objective of this PhD project is to design, model, fabricate, and characterize linear arrays of ultrafast photodetectors for THz wave generation and detection. Analytical modeling based on transfer matrix methods will first be used to establish design rules for optimizing device performance. Then, 3D electromagnetic simulations will be carried out to design an array composed of eight photodetectors. The devices will be fabricated using the microfabrication facilities of IEMN and experimentally characterized using optical and RF measurement platforms up to GHz.

The expected outcome of this work is the demonstration of a new generation of ultrafast photodetectors featuring very large bandwidth (> GHz) and high saturation current, enabling compact and efficient THz sources.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral