EMETTEUR TERAHERTZ PHOTONIQUE REPOSANT SUR UN PHOTOMELANGEUR HAUTEMENT DISTRIBUE EXCITE PAR UN LASER BIFREQUENCE – PHENIX

Dans le projet PHENIX nous proposons d'étudier une nouvelle architecture de photomélangeur afin de développer une source continue, puissante et large bande. Ce photomélangeur sera basé sur un photoconducteur hautement distribué (PHD) qui permettra une émission large bande à un niveau de puissance inatteignable avec des photodétecteurs discrets ou même des photodétecteurs distribués classiques. Un photodétecteur de 1 mm de long permettra d'absorber jusqu'à 1 W de puissance optique, ce qui est dix fois plus élevé que les photodétecteurs actuels fonctionnant au THz. Une puissance de sortie en régime continu de l'ordre de 10 mW à 300 GHz et 1 mW à 1 THz est attendue avec ce photomélangeur.
Dans le projet PHENIX, nous proposons de développer une source bi-fréquence fonctionnant à 800 nm, qui fournira un battement de fréquences d'une très grande stabilité et d'une très grande pureté spectrale. Elle sera basée sur un laser à l'état solide bi-fréquence utilisant un barreau de saphir dopé au titane et possédant une grande pureté spectrale intrinsèque (<30 kHz en régime libre). Une démonstration préliminaire a été réalisée récemment. Il reste toutefois de nombreuses améliorations à effectuer afin d'obtenir une source compacte et robuste.

Photoconducteur distribué (IEMN)

- Caractérisation des coupleurs à réseaux fabriqués : 50% d’efficacité de couplage à 800 nm
- Caractérisation des guides optiques sur miroir Au : pertes 2.3 dB/mm à 800 nm
- Caractérisation de coupleur 50/50 à interférence de modes multiples (MMI) : pertes d’insertion dues aux pertes des guides : 5.4 dB.

Laser bifréquence (FOTON)

-L’oscillation laser a été effectuée simultanément dans un même et nouveau cristal de Ti :Sa
-L’oscillation monofréquence est maintenant effectuée par un seul étalon (contrairement à deux sur la version prototype) du fait de la minimisation des effets de « hole burning » par un cristal de 2mm.

Première démonstration de la source THz prévue à T0+48

1. Highly distributed photoconductor for CW THz generation Proceedings of 41st International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, PEYTAVIT E.
IRMMW-THz 2016, Copenhagen, Denmark, september 25-30, 2016, paper T5P.19.04, 2 pages, ISBN 978-1-4673-8486-5 ; e-ISBN 978-1-4673-8485-8
2. « Photomixing THz sources: past, present and future »
PEYTAVIT E.
5th International Biennial Nanomaterials and Nanotechnology Meeting, NOM 2017, Ostrava, Czech Republic, may 23-25, 2017

Un grand nombre d'espèces chimiques ont des raies d'absorption se situant dans la gamme des fréquences térahertz (THz), ce qui en fait une gamme spectrale très intéressante pour la spectroscopie moléculaire appliquée à l'étude de la terre, et des sciences de l'univers. En dépit de ce grand intérêt scientifique, le domaine THz reste l'une des bandes de fréquences les moins utilisées. On parle même de "gap THz" en raison de l'absence de sources et de détecteurs à faible coût, compacts et fiables par rapport aux deux gammes de fréquences adjacentes, à savoir les micro-ondes et les ondes optiques, qui s'appuient respectivement sur l'efficacité de l'électronique et de la photonique.
Au cours des dernières années, les performances des détecteurs ont considérablement progressé, suite à des travaux motivés par l'émergence de nouvelles applications telles que la sécurité ou l'imagerie médicale.
Par contre, il reste encore de gros progrès à faire du côté des sources et il manque toujours une source THz compacte, de bonne pureté spectrale et fonctionnant à température ambiante. La pureté spectrale est aussi importante que la puissance. Il est en effet bien connu que lorsque qu’un mixer hétérodyne est utilisé comme détecteur, la puissance minimale détectable est liée à la largeur du filtre de fréquence intermédiaire.
L'une des sources THz les plus prometteuses, fonctionnant en régime continu et à température ambiante, est basée sur la photodétection du battement de fréquence générée par la superposition spatiale de deux lasers infrarouges. Le photomélange consiste à faire une transposition de fréquences en partant des fréquences très élevées (~ 300 THz) des lasers infrarouges pour aller vers des fréquences plus basses, de l'ordre de 1 THz. Cela confère au photomélange un caractère intrinsèquement large bande. Toutefois, les source basées sur le photomélange souffrent jusqu'à présent d'un manque de puissance générée, environ 10 µW à 1 THz. La puissance de sortie est en effet limitée par le compromis entre la taille réduite du photo-détecteur afin de réduire au minimum sa capacité électrique et le photocourant nécessaire pour générer une puissance THz élevée. Un nouveau type de photomélangeur est donc nécessaire afin d'atteindre le milliwatt jusqu'à 1 THz.
Dans le projet PHENIX nous proposons d'étudier une nouvelle architecture de photomélangeur afin de développer une source continue, puissante et large bande. Ce photomélangeur sera basé sur un photoconducteur hautement distribué (PHD) qui permettra une émission large bande à un niveau de puissance inatteignable avec des photodétecteurs discrets ou même des photodétecteurs distribués classiques. Un photodétecteur de 1 mm de long permettra d'absorber jusqu'à 1 W de puissance optique, ce qui est dix fois plus élevé que les photodétecteurs actuels fonctionnant au THz. Une puissance de sortie en régime continu de l'ordre de 10 mW à 300 GHz et 1 mW à 1 THz est attendue avec ce photomélangeur.
Au delà de la puissance de sortie, de nombreuses applications nécessitent une grande pureté spectrale, ce qui est dans le cas du photomélange, directement lié à la pureté spectrale du battement optique de pompe. La solution la plus simple consistant à utiliser deux diodes laser monomodes souffre toutefois de défauts rédhibitoires, tels qu'une faible stabilité de fréquence et une pureté spectrale limitées (~ 1 MHz).
Dans le projet PHENIX, nous proposons de développer une source bi-fréquence fonctionnant à 800 nm, qui fournira un battement de fréquences d'une très grande stabilité et d'une très grande pureté spectrale. Elle sera basée sur un laser à l'état solide bi-fréquence utilisant un barreau de saphir dopé au titane et possédant une grande pureté spectrale intrinsèque (<30 kHz en régime libre). Une démonstration préliminaire a été réalisée récemment. Il reste toutefois de nombreuses améliorations à effectuer afin d'obtenir une source compacte et robuste.