EP1941261A1 - Detecteur d'ondes electromagnetiques a bande passante terahertz - Google Patents

Detecteur d'ondes electromagnetiques a bande passante terahertz

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Publication number
EP1941261A1
EP1941261A1 EP06819125A EP06819125A EP1941261A1 EP 1941261 A1 EP1941261 A1 EP 1941261A1 EP 06819125 A EP06819125 A EP 06819125A EP 06819125 A EP06819125 A EP 06819125A EP 1941261 A1 EP1941261 A1 EP 1941261A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical signal
signal
optical
active medium
detector according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06819125A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Romain Czarny
Daniel Dolfi
Carlo Sirtori
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1941261A1 publication Critical patent/EP1941261A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation

Definitions

  • the field of the invention is that of the detection of high frequency electromagnetic waves.
  • the invention can be applied to a very wide range of bandwidths, but the preferred field of application is the terahertz frequency domain.
  • This frequency range located on the border between the far infrared and the millimeter waves has several technical and industrial interests insofar as the absorption or reflection properties of the material can be substantially different in this wavelength range. . These include applications in the field of medical imaging and applications for certain control and security systems. These devices are also used for metrology applications.
  • the detection of very high frequency electromagnetic waves is, however, relatively difficult to achieve and constitutes a major obstacle to the development of terahertz technologies.
  • the current range of detectors is relatively small, and they are complex.
  • bolometers that measure the thermal variation of a superconducting film induced by the electric field of the wave to be detected. If the bolometers have very good sensitivities, they must nevertheless operate at very low temperatures of the order of a few Kelvin, thus imposing very heavy constraints of use.
  • Golay cells where the evaluation of the incident power is done in particular by means of the optical measurement of the pressure change of a gas cell, induced by the incident electromagnetic wave. Although very sensitive, these detectors are extremely fragile and only support low levels of illumination.
  • the object of the invention is to provide a detection device which is sensitive in this high frequency spectral band and which does not have the above disadvantages.
  • the device can operate at room temperature and does not have complex components.
  • a matrix of detectors according to the invention it becomes possible to make either terahertz imaging or terahertz spectroscopy.
  • the heart of the invention consists in using a so-called active material whose absorption coefficient in the optical domain depends on the intensity of the terahertz signal to be detected. By measuring the variations of the absorption coefficient, the intensity of the terahertz signal is thus determined. By this means, a transposition of frequencies is carried out in a frequency range where the measurement no longer poses any technical problems.
  • the external signal to be detected is called the electromagnetic signal. It is represented by chevrons on the different figures;
  • the signal inside the detector is called the optical signal. It is represented by surfaces or arrows whose filling pattern is a grid of dots on the different figures;
  • the medium whose absorption varies with the intensity of said electromagnetic signal is called the active medium
  • optical probe The set of optical, opto-mechanical and opto-electronic components used for the generation, shaping and detection of the optical signal is called an optical probe
  • photodetector • The detector inside the optical probe, intended to receive the optical signal, is called photodetector.
  • the subject of the invention is a detector of an electromagnetic signal emitted in a first bandwidth, characterized in that it essentially comprises:
  • Opto-mechanical means arranged so that the optical signal passes through the absorbing medium
  • the active medium may consist of a solid semiconductor material or epitaxial on a substrate transparent to the optical signal, the wavelength of the optical signal is then chosen greater than the wavelength of absorption of this material. semiconductor, the modification of the absorption being achieved by Franz-Keldysh effect.
  • the active medium can also be a symmetrical quantum well structure, the wavelength of the optical signal is then substantially close to that of an inter-band or intra-band transition of said structure, the modification of the absorption being achieved by Stark effect quantially confined.
  • the structure comprises a stack comprising several tens of planar layers, mutually parallel thick dozens of Angstrcems, the layers being alternately component materials of Ga. 5 3ln.47As and AI 52 In 4S As, the layers being epitaxially grown on an iron-doped semi-insulating InP substrate.
  • the active medium may also be an asymmetric quantum well structure.
  • the wavelength of the optical signal is equal to that of an inter-band or intra-band transition of said structure.
  • the active medium comprises a diffraction grating adapted to operate in the bandwidth of the electromagnetic signal. If the medium has a quantum structure, the portion of the electromagnetic signal diffracted by said network then has a direction substantially parallel to the average plane of the material layers comprising the quantum well structure.
  • the active medium comprises at least one antenna adapted to the first bandwidth of the signal to be detected, the optical signal being focused by the transmission means in the vicinity of said antenna.
  • the active medium may comprise a hemispherical lens centered on the antenna and made of a substantially transparent material to the electromagnetic signal. It is also possible to use an active medium having, in the region of the antenna, the shape of a thin membrane, the thickness of said membrane being much lower than the average wavelength of the electromagnetic signal.
  • the optical probe may operate by reflection, the detector comprising optical means able to reflect the optical signal after it has passed through the absorbing medium. If the medium comprises an antenna, the antenna may comprise at least one electrode used as a mirror for the optical signal.
  • the absorption of the optical signal can also be improved by using a resonant optical cavity in which the active medium is located, the optical signal being focused by the emission means in the vicinity of said cavity.
  • the opto-mechanical means comprise at least one separation optics placed so as to separate the optical signal emitted before crossing the active medium of the optical signal reflected by the active medium.
  • the separation of the transmitted and received beams can be achieved by using a polarized optical signal, the reflection and transmission coefficients of the separation optics then depending on the polarization of said signal.
  • the optical probe may comprise, in addition, an optical reference channel comprising:
  • Second opto-mechanical means arranged such that part of the optical signal does not pass through the absorbing medium
  • At least one second photodetector arranged to receive said part of the signal.
  • the optical signal is emitted either in the ultraviolet, the visible or the infra-red.
  • the invention also applies to a matrix or a bar comprising a plurality of elementary detectors, having the above characteristics, the elementary photodetectors then being grouped into a CCD-type matrix, which is the acronym for
  • the active medium is common to all the elementary detectors of the matrix and that the emitting means are also common to all the elementary detectors of the matrix, the transmitted single optical signal being separated into a plurality of elementary signals dedicated to each elementary detector by means of a micro-optical array.
  • FIG. 1 represents the functional block diagram of a detector according to the invention
  • FIGS. 2 and 3 show the absorption variations as a function of time and of the amplitude of the electric field of the incident electromagnetic signal on the active medium of the detector for two different absorption variations;
  • FIGS. 4a and 4b show the absorption variations as a function of the wavelength of the optical signal in the presence or in the absence of an electric field of the electromagnetic signal, in the case where the active medium is of the semiconductor type;
  • FIGS. 5a, 5b and 6a, 6b show the absorption variations as a function of the wavelength of the optical signal in the presence or in the absence of an electric field of the electromagnetic signal, in the case where the active medium is quantum well type;
  • FIG. 7 represents the functional block diagram of a detector according to the invention comprising an antenna
  • Figure 8 shows a possible form of antenna
  • Figures 9 and 10 show first and second variants of the arrangement of Figure 7;
  • FIG. 11 represents a detector according to the invention whose active medium comprises a diffraction grating
  • FIG. 12 represents a first possible arrangement of a detector comprising an optical probe operating by reflection
  • FIG. 13 represents a second possible arrangement of a detector comprising an optical probe operating by reflection
  • FIG. 14 represents an example of processing of the signals coming from the optical probe
  • FIG. 15 represents a matrix of detectors according to the invention
  • a detector according to the invention is shown in FIG. 1.
  • the electromagnetic signal to be detected is transmitted in a first bandwidth.
  • the detector comprises: an active medium 100 illuminated by said electromagnetic signal 10, absorbing in a second electromagnetic bandwidth, the absorption of said medium in this second bandwidth depending on the intensity of said electromagnetic signal;
  • An optical probe 200 comprising: transmission means 201 for an optical signal in said second bandwidth;
  • Opto-mechanical means arranged so that the optical signal 20 passes through the absorbent medium 100;
  • At least one photodetector 202 arranged to receive the optical signal after passing through the absorbing medium
  • FIG. 2 represents a material whose absorption ⁇ as a function of the electromagnetic field E of the electromagnetic signal is represented by an odd-symmetrical curve centered on the electromagnetic field E which is zero.
  • the absorption ⁇ follows the sinusoidal variations of the field E as a function of time and the mean variation CCMOYEN is zero.
  • This variation is represented by a dashed line in FIG. 2.
  • Such a material is not suitable for detection.
  • Measuring the average absorption variation, by probing the active medium with an optical probe, will make it possible to quantify the power of the electromagnetic wave incident on the detector.
  • This measurement can be performed, for example, with a photodiode whose sensitivity is adapted to the wavelengths of the transmitted optical signal and whose bandwidth is less than the frequency of the electromagnetic signal to be characterized.
  • a first type of active medium consists of a semiconductor which can be solid or epitaxial on a substrate transparent to the optical signal. More specifically, for the substrate to be transparent, it suffices that the wavelength of the optical signal is greater than the absorption wavelength of the substrate.
  • the modification of the absorption in the active medium is due to the Franz-Keldysh effect induced by the electric field of the incident electromagnetic signal. This effect is independent of the sign of the electric field. Consequently, the variation of the absorption of the active medium is non-zero on average.
  • the Franz-Keldysh effect is a fast effect, the absorption variation occurring in times less than 100 femtoseconds, allowing the detection of electromagnetic signals in the terahertz frequency domain.
  • Fig. 4a shows the absorption as a function of wavelength for a semiconductor material.
  • the variation of the absorption coefficient noted ⁇ is maximum for wavelengths ⁇ o very slightly greater than the absorption wavelength ⁇ g of the semiconductor material.
  • FIG. 4b which conventionally represents the energy levels of the By valence and Bc conduction bands of the semiconductor material, if the electromagnetic field E is zero, an optical signal at the wavelength ⁇ 0 is transmitted without absorption. If, on the other hand, the field E is no longer zero, the wavelength ⁇ o is absorbed. In this case, an electronic transition occurs between the valence band and the conduction band, symbolized by the rise of an electron in Figure 4b.
  • the absorption contrast generated by the presence or absence of an electric field is maximum.
  • the semiconductor active medium can be replaced by a stack of layers of material forming symmetrical quantum wells. As indicated in FIG. 5b, in the absence of an applied field E, these wells have discrete energy levels Ni and N2. The application of an electric field E perpendicular to the plane of the layers results in a variation of the energy difference between the states of the well, this effect is called quantum effect quantially confined. This variation in the energy difference causes a change in the optical absorption as a function of the wavelength as illustrated in FIG. 5a.
  • this effect is independent of the sign of the applied electric field thus allowing the detection of continuous electromagnetic signals.
  • a quantum well structure forming the active medium is composed of a stack comprising 50 flat layers, parallel to each other and 100 Angstroms thick, the stack having a total thickness of 500 nanometers.
  • the materials constituting the layers are alternately of Ga.53ln.47As and AI 52 In 48 As. These layers are epitaxially grown on a substrate of semi-insulating InP doped iron.
  • the wavelength corresponding to the inter-band transition in a quantum well is 1.55 microns.
  • the curves in solid lines are symmetrical.
  • the wavelength ⁇ 0 of the optical signal is chosen according to the configuration of the wells, so as to optimize the detection. In this case, as can be seen in FIG. 6b, it is preferable that the wavelength ⁇ o be chosen equal to the wavelength ⁇ -i 2 of the transition of the quantum well structure. Thus, if the electromagnetic field E is zero, the wavelength ⁇ 0 is absorbed, causing electronic transitions from the level Ni to the level N 2 .
  • the wavelength ⁇ o is transmitted.
  • the variation of absorption induced ⁇ by the inter-level energy variation is identical whatever the sign of E, inducing a variation of the non-zero absorption on average.
  • it is advantageous to have on the active medium concentrating means of the electromagnetic signal to be detected. The simplest way of proceeding is to deposit on the surface of the semiconductor an antenna 101 adapted to the frequency of the wave to be detected as indicated in FIG. 7. It makes it possible to concentrate the electric field to be detected in proportion to the quality of the antenna at the inter-electrode space of the antenna.
  • the arrangement of the inter-electrode space contributes to the local increase of the electric field.
  • This interelectrode space must have a sufficiently low capacitance C so that the characteristic time ⁇ corresponding to its charge or more generally to its change of state is less than the period of the electromagnetic signal to be detected.
  • ⁇ RC, where R is the radiation resistance of the antenna.
  • the characteristics and the shape of the antenna are adapted according to the characteristics of frequencies and bandwidth of the electromagnetic signal.
  • the antenna has the simple shape of a dipole.
  • the length of the antenna must be substantially ⁇ / 2.
  • Other forms are also possible such as so-called butterfly antennas and so-called spiral antennas which have the advantage of a very large bandwidth.
  • the antenna material may be gold.
  • the optical signal must be focused in the vicinity of said antenna, where the concentration of the electromagnetic signal and the absorption variation that it induces are the most important.
  • FIG. 8 represents an antenna 101 suitable for detecting waves having frequencies close to the terahertz.
  • This dipole antenna is composed of two symmetrical and identical parts. Its total length L is 40 microns. Each part has a strand whose width W is 800 nanometers. Each strand is terminated by a semicircle with a diameter of 4 microns.
  • the slot separating the two half-circles has a width d of 200 nanometers. This slot constitutes the inter-electrode space of the antenna.
  • the optical signal of the probe is reflected on the two semicircles.
  • the width of the slot being much smaller than the optical wavelength, the entire surface formed by the two half-circles is reflective.
  • This antenna has a resonance around 1 terahertz. It freezes the detection band for a few cents.
  • the optical signal of the probe is focused in the center of the two half-circles.
  • the gain of the antenna can be increased by a hemispherical lens 102 centered on the antenna as shown in Figure 9.
  • the material used for this lens must be transparent to the electromagnetic signal to be characterized.
  • this lens can be made sapphire, quartz, Teflon, polyethylene or semiconductor material with low concentration of free carriers such as ultra-resistive silicon or semi-insulating gallium arsenide.
  • a hemispherical lens with a diameter of 5 millimeters can be centered and glued to the antenna of Figure 8.
  • FIG. 10 A second embodiment for increasing the gain of the antenna is shown in FIG. 10.
  • the antenna is made on a membrane
  • the active medium remains transparent to the electromagnetic signal.
  • quantum well structures are sensitive only to electric fields perpendicular to the mean plane of the layers. As we have seen, it is possible to straighten the field of the electromagnetic signal by means of an antenna. It is also possible to obtain this effect by means of a diffraction grating 104 disposed on the active medium and adapted to operate in the bandwidth of the electromagnetic signal as shown in FIG. 11. The grating is then arranged so that the part of the electromagnetic signal diffracted by said network has a direction substantially parallel to the average plane of the material layers of the quantum well structure. Thus, the polarization of the electromagnetic signal which is perpendicular to the direction of propagation is substantially perpendicular to the plane of the layers of the active medium.
  • the means for transmitting the optical signal are, for example, DFB type lasers, which stands for Distributed FeedBack. These lasers generally emit in the near infra-red. They can be fibers, the emission of the laser being transmitted in a monomode optical fiber. Their output power can be easily modulated.
  • the optical probe can operate either by transmission or by reflection.
  • the second mode of operation has the advantage of separating the electromagnetic signal and the optical signal that can be arranged on either side of the active medium.
  • the medium comprises an antenna
  • one of the electrodes of this antenna can be used as a mirror for the optical signal.
  • the effective interaction length of the probe with the active medium can be increased.
  • the active medium is placed in a resonant optical cavity. This can be formed:
  • a mirror which may be a metallic, dielectric or Bragg mirror based on dielectric materials or semiconductors.
  • the reflectivity of this second mirror is optimized to maximize the variation of the cavity retro-transmitted optical power as a function of the absorption variation in the active medium.
  • the optical thickness of the resonant optical cavity must be chosen so that the roundtrips of the optical signal interfere positively.
  • the probe comprises opto-mechanical means arranged to separate the optical signal transmitted before crossing the active medium of the optical signal reflected by the active medium.
  • FIG. 12 shows a first embodiment of an optical probe operating by reflection and comprising such means. More specifically, the probe comprises:
  • Transmission means 201 of the optical signal are for example a laser diode emitting in the visible or infra-red radiation;
  • a splitter plate 207 If the emission source emits linearly polarized light, this plate may be a polarization splitter plate. In this case, the reflection and transmission coefficients of this plate depend on the polarization of the signal and are optimized so as to reflect and transmit the optical signal with balanced yields.
  • To change the polarization of the incident optical signal it is possible, for example, to place a quarter-wave plate 206 between the splitter plate 207 and the active medium 100. In this case, if the blade is properly oriented, the polarization of the optical signal Reflected by the active medium and traversed twice the quarter-wave plate rotated 90 degrees from the initial polarization of the signal.
  • This device can be completed by means of a half-wave adjustment blade 205 or by means of mechanical adjustments making it possible, for example, to orient the emission source.
  • FIG. 13 shows a second exemplary embodiment of an optical probe operating by reflection. More specifically, the probe comprises:
  • First opto-mechanical means arranged so that the optical signal passes through the absorbing medium. These means include:
  • a focusing lens 210 At least one photodetector 202 arranged to receive the optical signal 21 after passing through the absorbing medium and the lenses 209 and 210.
  • the optical probe may further comprise an optical reference channel as shown in FIG. 12, comprising:
  • Second opto-mechanical means 208 arranged so that part of the optical signal 22 does not pass through the absorbing medium
  • At least one second photodetector 203 arranged to receive said part of the signal called reference signal. This arrangement makes it possible to obtain an independent detection of the intensity variations of the transmitted optical signal.
  • FIG 14 illustrates a detection device of this type.
  • the photodetectors 202 and 203 are photodiodes comprising a charge resistor 211.
  • the output of these photodiodes is connected to the inputs of a synchronous detection 212.
  • a modulator 213 emits a modulated signal which controls the modulation of the optical signal emitted by the means. resignation.
  • This modulated signal is also provided for synchronous detection.
  • a voltage is obtained which is proportional to the difference in intensity of the measurement signals 21 and reference 22. In this case, it is advantageous that, in the absence of an electromagnetic signal, the measurement and of reference are equal. Thus, the absence of a signal gives a zero voltage at the synchronous detection output.
  • the active medium is common to all the elementary detectors of the matrix and that the transmission means are also common to all the detectors of the matrix, the single signal emitted being separated into a plurality of elementary signals dedicated to each elementary detector by means of a matrix of microoptics.
  • FIG. 15 represents a detection device 30 comprising such a matrix. He understands :
  • An active medium 100 comprising a plurality of detection zones. Each zone may include an antenna 101.
  • the spacing between the different antennas gives the spatial resolution of the device knowing that it is necessary to avoid too much overlap of the receiving lobes of the antennas;
  • Transmission means 201 of the optical signal are for example a laser diode emitting in the visible or infra-red radiation;
  • Opto-mechanical means arranged so that the optical signal passes through the absorbent medium 100 and is focused in the detection zones.
  • These means comprise: a collimation lens 204 and a microlens array 212 ensuring the focusing of the optical signal on the detection zones;
  • a splitter plate 207 operating by polarization This blade is placed between a half wave plate 205 and a quarter wave plate 206;
  • a CCD strip or matrix 211 receiving the optical signals reflected by the different detection zones.
  • Such devices can be used to make terahertz imaging.
  • the terahertz transparent focusing 31 is arranged in front of the detection device 30.
  • a scattering prism or a diffraction grating 32 and a focusing lens 33 are arranged in front of the detection device 30.
  • An electromagnetic signal in the form of a plane wave is thus decomposed by the latter device into monochromatic signals focused on the array or matrix of detectors.

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Abstract

Le domaine de l'invention est celui de la détection d'ondes électromagnétiques à haute fréquence. L'invention peut s'appliquer à une très large gamme de bandes passantes, mais le domaine d'application privilégié est le domaine des fréquences térahertz. Le coer du dispositif de détection consiste en un matériau dit actif (100) dont le coefficient d'absorption dans le domaine optique dépend de l'intensité du signal térahertz à détecter. En mesurant les variations du coefficient d'absorption au moyen d'une sonde optique (200), on détermine ainsi l'intensité du signal térahertz. Par ce moyen, on réalise une transduction de fréquences dans un domaine de fréquences où la mesure ne pose pas de problèmes techniques. On peut notablement améliorer la sensibilité du détecteur en disposant d'antennes (101 ) adaptées sur le milieu actif, en utilisant des matériaux semi-conducteurs ou à puits quantiques. Par ce moyen, il est également possible de réaliser une matrice ou une barrette de détecteurs térahertz permettant ainsi de faire soit de l'imagerie soit de la spectroscopie térahertz.

Description

DETECTEUR D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES A BANDE PASSANTE
TERAHERTZ.
Le domaine de l'invention est celui de Ia détection d'ondes électromagnétiques à haute fréquence. L'invention peut s'appliquer à une très large gamme de bandes passantes, mais le domaine d'application privilégié est le domaine des fréquences térahertz.
Ce domaine de fréquences situé à la frontière entre l'infrarouge lointain et les ondes millimétriques présente plusieurs intérêts techniques et industriels dans la mesure où les propriétés d'absorption ou de réflexion de la matière peuvent être sensiblement différentes dans cette gamme de longueurs d'onde. On citera notamment les applications dans le domaine de l'imagerie médicale et les applications pour certains systèmes de contrôle et de sécurité. Ces dispositifs sont également utilisés pour des applications en métrologie.
La détection d'ondes électromagnétiques à très haute fréquence est cependant relativement difficile à réaliser et constitue un obstacle majeur au développement des technologies térahertz. L'offre actuelle de détecteurs est relativement faible, et ces derniers sont complexes. On citera parmi les plus couramment utilisés les bolomètres qui mesurent la variation thermique d'un film supraconducteur induite par le champ électrique de l'onde à détecter. Si les bolomètres présentent de très bonnes sensibilités, ils doivent néanmoins fonctionner à des températures très faibles de l'ordre de quelques kelvins, imposant ainsi des contraintes très lourdes d'utilisation. On peut également utiliser des cellules dites de Golay où l'évaluation de la puissance incidente se fait notamment au moyen de la mesure optique du changement de pression d'une cellule gazeuse, induit par l'onde électromagnétique incidente. Bien que très sensibles, ces détecteurs son extrêmement fragiles et ne supportent que de faibles niveaux d'illumination.
L'objet de l'invention est de proposer un dispositif de détection qui soit sensible dans cette bande spectrale haute fréquence et qui ne présente pas les inconvénients précédents. Comme on le verra, Se dispositif peut fonctionner à température ambiante et ne comporte pas de composants complexes. De plus, en réalisant une matrice de détecteurs selon l'invention, il devient alors possible de faire soit de l'imagerie térahertz, soit de la spectroscopie térahertz.
Le cœur de l'invention consiste à utiliser un matériau dit actif dont le coefficient d'absorption dans le domaine optique dépend de l'intensité du signal térahertz à détecter. En mesurant les variations du coefficient d'absorption, on détermine ainsi l'intensité du signal térahertz. Par ce moyen, on réalise une transposition de fréquences dans un domaine de fréquences où la mesure ne pose plus de problèmes techniques.
Pour l'ensemble du texte de la description et des figures, les conventions suivantes ont été adoptées : « Le signal externe à détecter est appelé signal électromagnétique. Il est représenté par des chevrons sur les différentes figures ;
• Le signal interne au détecteur est appelé signal optique. Il est représenté par des surfaces ou des flèches dont le motif de remplissage est un quadrillage de points sur les différentes figures ;
• Le milieu dont l'absorption varie avec l'intensité dudit signal électromagnétique est appelé milieu actif ;
• L'ensemble des composants optiques, opto-mécaniques et opto-électroniques utilisés pour la génération, la mise en forme et la détection du signal optique est appelée sonde optique ;
• Le détecteur interne à la sonde optique, destiné à recevoir le signal optique, est appelé photodétecteur.
Plus précisément, l'invention a pour objet un détecteur d'un signal électromagnétique émis dans une première bande passante, caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement :
• Un milieu actif éclairé par ledit signal électromagnétique, absorbant dans une seconde bande passante électromagnétique, l'absorption dudit milieu dans cette seconde bande passante dépendant de l'intensité dudit signal électromagnétique ; • Une sonde optique comprenant :
• des moyens d'émission d'un signal optique dans ladite seconde bande passante ;
• des moyens opto-mécaniques agencés de façon que le signal optique traverse le milieu absorbant ;
• au moins un photodétecteur agencé de façon à recevoir le signal optique après traversée du milieu absorbant. Avantageusement, le milieu actif peut être constitué d'un matériau semi-conducteur massif ou épitaxié sur un substrat transparent au signal optique, la longueur d'onde du signal optique est alors choisie supérieure à la longueur d'onde d'absorption de ce matériau semi-conducteur, la modification de l'absorption étant réalisée par effet Franz-Keldysh. Le milieu actif peut également être une structure à puits quantiques symétriques, la longueur d'onde du signal optique est alors sensiblement voisine de celle d'une transition inter-bande ou intra-bande de ladite structure, la modification de l'absorption étant réalisée par effet Stark confiné quantiquement. Par exemple, la structure comporte un empilement comprenant plusieurs dizaines de couches planes, parallèles entre elles et épaisses de plusieurs dizaines d'Angstrcems, les matériaux composant les couches étant alternativement du Ga.53ln.47As et du AI 52In 4SAs, les couches étant épitaxiées sur un substrat d'InP semi-isolant dopé fer. Le milieu actif peut également être une structure à puits quantiques dissymétriques. Dans ce cas, la longueur d'onde du signal optique est égale à celle d'une transition inter-bande ou intra-bande de ladite structure. Avantageusement, le milieu actif comporte un réseau de diffraction adapté pour fonctionner dans la bande passante du signal électromagnétique. Si le milieu a une structure quantique, la partie du signal électromagnétique diffractée par ledit réseau a alors une direction sensiblement parallèle au plan moyen des couches de matériau composant la structure à puits quantiques.
Avantageusement, le milieu actif comporte au moins une antenne adaptée à la première bande passante du signal à détecter, le signal optique étant focalisé par les moyens d'émission au voisinage de ladite antenne. Dans ce cas, le milieu actif peut comporter une lentille hémisphérique centrée sur l'antenne et réalisée dans un matériau sensiblement transparent au signal électromagnétique. Il est également possible d'utiliser un milieu actif ayant, dans la zone de l'antenne, la forme d'une membrane de faible épaisseur, l'épaisseur de ladite membrane étant très inférieure à la longueur d'onde moyenne du signal électromagnétique. Avantageusement, la sonde optique peut fonctionner par réflexion, le détecteur comportant des moyens optiques aptes à réfléchir le signal optique après qu'il ait traversé le milieu absorbant. Si le milieu comporte une antenne, l'antenne peut comprendre au moins une électrode utilisée comme miroir pour le signal optique. On peut également améliorer l'absorption du signal optique en utilisant une cavité optique résonnante dans laquelle est située le milieu actif, le signal optique étant focalisé par les moyens d'émission au voisinage de ladite cavité. Dans ce cadre, les moyens opto- mécaniques comportent au moins une optique de séparation placée de façon à séparer le signal optique émis avant traversée du milieu actif du signal optique réfléchi par le milieu actif. La séparation des faisceaux émis et reçus peut être réalisée en utilisant un signal optique polarisé, les coefficients de réflexion et de transmission de l'optique de séparation dépendant alors de la polarisation dudit signal.
Avantageusement, la sonde optique peut comporter, en outre, une voie optique de référence comprenant :
• des seconds moyens opto-mécaniques agencés de façon qu'une partie du signal optique ne traverse pas le milieu absorbant ;
• au moins un second photodétecteur agencé de façon à recevoir ladite partie du signal. Le signal optique est émis soit dans l'ultra-violet, soit dans le visible soit dans l'infra-rouge.
L'invention s'applique également à une matrice ou à une barrette comportant une pluralité de détecteurs élémentaires, ayant les caractéristiques précédentes, les photodétecteurs élémentaires étant alors regroupés en une matrice de type CCD, acronyme anglo-saxon signifiant
Charge Coupled Device.
Dans ce cas, il est préférable que le milieu actif soit commun à tous les détecteurs élémentaires de la matrice et que les moyens d'émission soient également communs à tous les détecteurs élémentaires de la matrice, le signal optique unique émis étant séparé en une pluralité de signaux élémentaires dédiés à chaque détecteur élémentaire au moyen d'une matrice de micro-optiques.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
• La figure 1 représente le schéma de principe de fonctionnement d'un détecteur selon l'invention ; • Les figures 2 et 3 représentent les variations d'absorption en fonction du temps et de l'amplitude du champ électrique du signal électromagnétique incident sur le milieu actif du détecteur pour deux variations d'absorption différentes ;
• Les figures 4a et 4b représentent les variations d'absorption en fonction de la longueur d'onde du signal optique en présence ou en l'absence de champ électrique du signal électromagnétique, dans le cas où le milieu actif est de type semiconducteur ;
• Les figures 5a, 5b et 6a, 6b représentent les variations d'absorption en fonction de la longueur d'onde du signal optique en présence ou en l'absence de champ électrique du signal électromagnétique, dans le cas où le milieu actif est de type à puits quantiques ;
• La figure 7 représente le schéma de principe de fonctionnement d'un détecteur selon l'invention comportant une antenne ;
• La figure 8 représente une forme possible d'antenne ; • Les figures 9 et 10 représentent une première et une seconde variantes de la disposition de la figure 7 ;
• La figure 11 représente un détecteur selon l'invention dont le milieu actif comporte un réseau de diffraction ;
• La figure 12 représente une première disposition possible d'un détecteur comportant une sonde optique fonctionnant par réflexion ;
• La figure 13 représente une seconde disposition possible d'un détecteur comportant une sonde optique fonctionnant par réflexion ;
• La figure 14 représente un exemple de traitement des signaux issus de la sonde optique ; • La figure 15 représente une matrice de détecteurs selon l'invention ;
• Les figures 16 et 17 représentent deux applications possibles du dispositif de la figure 15.
Un détecteur selon l'invention est représenté en figure 1. Le signal électromagnétique 10 à détecter est émis dans une première bande passante. Le détecteur comporte : « Un milieu actif 100 éclairé par ledit signal électromagnétique 10, absorbant dans une seconde bande passante électromagnétique, l'absorption dudit milieu dans cette seconde bande passante dépendant de l'intensité dudit signal électromagnétique ;
• Une sonde optique 200 comprenant : • des moyens d'émission 201 d'un signal optique 20 dans ladite seconde bande passante ;
• des moyens opto-mécaniques agencés de façon que le signal optique 20 traverse le milieu absorbant 100 ;
• au moins un photodétecteur 202 agencé de façon à recevoir le signal optique 20 après traversée du milieu absorbant
100.
Pour détecter le signal électromagnétique continu, l'effet physique qui modifie l'absorption du milieu actif en présence du signal électromagnétique doit entraîner des fluctuations à moyenne non nulle de l'absorption.
Les figures 2 et 3 illustrent ce principe. La figure 2 représente un matériau dont l'absorption α en fonction du champ électromagnétique E du signal électromagnétique est représentée par une courbe à symétrie impaire centrée sur le champ électromagnétique E nul. Dans ce cas, l'absorption α suit les variations sinusoïdales du champ E en fonction du temps et la variation moyenne CCMOYEN est nulle. Cette variation est représentée par un trait en pointillés sur la figure 2. Un tel matériau ne saurait convenir à la détection. Par contre, comme illustré en figure 3, si l'absorption α en fonction du champ électromagnétique E du signal électromagnétique n'est pas une courbe à symétrie impaire, alors l'absorption α ne suit pas les variations sinusoïdales du champ E en fonction du temps et la variation moyenne CtMOYEN n'est plus nulle. Dans le cas de la figure 3, le coefficient d'absorption reste positif quelque soit le signe du champ électromagnétique E. Dans ce dernier cas, la vitesse du phénomène physique induisant la variation d'absorption limite la bande passante électromagnétique du détecteur.
La mesure de la variation d'absorption moyenne, en sondant le milieu actif avec une sonde optique, va permettre de quantifier la puissance de l'onde électromagnétique incidente sur le détecteur. Cette mesure peut être effectuée, par exemple, avec une photodiode dont la sensibilité est adaptée aux longueurs d'onde du signal optique émis et dont la bande passante est inférieure à la fréquence du signal électromagnétique à caractériser.
II existe différents types de matériau présentant des coefficients d'absorption α à variation moyenne non nulle.
Un premier type de milieu actif est constitué d'un semi-conducteur qui peut être massif ou épitaxié sur un substrat transparent au signal optique. Plus précisément, pour que le substrat soit transparent, il suffit que la longueur d'onde du signal optique soit supérieure à la longueur d'onde d'absorption du substrat. La modification de l'absorption dans le milieu actif est due à l'effet Franz-Keldysh induit par le champ électrique du signal électromagnétique incident. Cet effet est indépendant du signe du champ électrique. Par conséquent, la variation de l'absorption du milieu actif est non nulle en moyenne. L'effet Franz-Keldysh est un effet rapide, la variation d'absorption se faisant dans des temps inférieurs à 100 femtosecondes, permettant la détection de signaux électromagnétiques dans le domaine des fréquences téraHertz.
La figure 4a représente l'absorption en fonction de la longueur d'onde pour un matériau semi-conducteur. La courbe notée E≠O en trait continu représente l'absorption en présence du signal électromagnétique et la courbe notée E=O en traits pointillés représente l'absorption en l'absence du signal électromagnétique. La variation du coefficient d'absorption notée Δα est maximale pour des longueurs d'onde λo très légèrement supérieures à la longueur d'onde d'absorption λg du matériau semi-conducteur. Ainsi, comme on peut Ie voir sur la figure 4b qui représente classiquement les niveaux d'énergie des bandes de valence By et de conduction Bc du matériau semi-conducteur, si le champ électromagnétique E est nul, un signal optique à la longueur d'onde λ0 est transmis sans absorption. Si, au contraire, le champ E n'est plus nul, la longueur d'onde λo est absorbée. Dans ce cas, une transition électronique a lieu entre la bande de valence et la bande de conduction, symbolisée par la montée d'un électron sur la figure 4b. Le contraste d'absorption engendré par la présence ou non d'un champ électrique est maximum.
Afin d'augmenter la sensibilité au champ électrique du signal électromagnétique, le milieu actif semi-conducteur peut être remplacé par un empilement de couches de matériau formant des puits quantiques symétriques. Comme indiqué sur la figure 5b, en l'absence de champ E appliqué, ces puits présentent des niveaux d'énergie discrets Ni et N2. L'application d'un champ électrique E perpendiculaire au plan des couches se traduit par une variation de l'écart d'énergie entre les états du puits, cet effet est appelé effet Stark confiné quantiquement. Cette variation de l'écart d'énergie entraîne une modification de l'absorption optique en fonction de la longueur d'onde comme illustré sur la figure 5a. La courbe en trait continu notée E≠O représente l'absorption de la structure à puits quantiques en présence de champ E et la courbe en traits pointillés notée E=O représente l'absorption de la structure à puits quantiques en l'absence de champ E. Dans ce cas, comme on peut le voir sur la figure 5b, si le champ électromagnétique E est nul, une longueur d'onde λ0 proche de la longueur d'onde λi2 d'une transition inter-bande ou intra-bande de la structure à puits quantiques est transmise sans absorption. Si, au contraire, le champ E n'est plus nul, la longueur d'onde λo est absorbée, provoquant des transitions électroniques du niveau Ni vers le niveau N2. Ainsi, on maximise la variation d'absorption induite Δα par la variation d'énergie inter-niveaux.
Pour une structure symétrique, cet effet est indépendant du signe du champ électrique appliqué permettant ainsi la détection de signaux électromagnétiques continus.
De plus, cet effet est rapide et permet la détection de champs électromagnétiques jusqu'au domaine des fréquences térahertz. Enfin, le confinement quantique se traduit par une sensibilité accrue de l'absorption au champ électromagnétique E.
A titre d'exemple, une structure à multi-puits quantiques formant le milieu actif est composée d'un empilement comprenant 50 couches planes, parallèles entre elles et épaisses de 100 Angstrœms, l'empilement ayant une épaisseur totale de 500 nanomètres. Les matériaux composant les couches sont alternativement du Ga.53ln.47As et du AI 52In 48As. Ces couches sont épitaxiées sur un substrat d'InP semi-isolant dopé fer. La longueur d'onde correspondant à la transition inter-bande dans un puits quantique est de 1.55 micron.
Il est également possible d'utiliser un empilement des puits quantiques dissymétriques en réalisant une structure dans laquelle la largeur du puits du niveau inférieur est différente de celle du puits du niveau supérieur comme indiqué sur la figure 6b. Cette dissymétrie permet d'augmenter la sensibilité au champ électromagnétique. Comme précédemment, l'application d'un champ électrique perpendiculaire au plan des couches se traduit par une variation de l'écart d'énergie entre les états du multi-puits quantique. Cette variation de l'écart d'énergie entraîne une modification de l'absorption optique en fonction de la longueur d'onde comme illustré sur la figure 6a. Les courbes en trait continu notées E<0 et E>0 représentent l'absorption de la structure à puits quantiques en présence de champ E et la courbe en trait pointillé notée E=O représente l'absorption de la structure à puits quantiques en l'absence de champ E. Les courbes en traits continu sont symétriques. La longueur d'onde λ0 du signal optique est choisie en fonction de la configuration des puits, de manière à optimiser la détection. Dans ce cas, comme on peut le voir sur la figure 6b, il est préférable que la longueur d'onde λo soit choisie égale à la longueur d'onde λ-i2 de la transition de la structure à puits quantiques. Ainsi, si le champ électromagnétique E est nul, la longueur d'onde X0 est absorbée, provoquant des transitions électroniques du niveau Ni vers le niveau N2. Si, au contraire, le champ E n'est plus nul, la longueur d'onde λo est transmise. Ainsi, la variation d'absorption induite Δα par la variation d'énergie inter-niveaux est identique quelque soit le signe de E, induisant une variation de l'absorption non nulle en moyenne. Pour améliorer la détectivité du détecteur et/ou pour changer la direction du champ du signal électromagnétique de façon à améliorer la sensibilité du milieu actif, il est intéressant de disposer sur le milieu actif de moyens de concentration du signal électromagnétique à détecter. La façon la plus simple de procéder est de déposer à la surface du semi-conducteur une antenne 101 adaptée à la fréquence de l'onde à détecter comme indiqué sur la figure 7. Elle permet de concentrer le champ électrique à détecter proportionnellement au facteur de qualité de l'antenne au niveau de l'espace inter-électrode de l'antenne. L'aménagement de l'espace inter-électrode contribue à l'augmentation locale du champ électrique. Cet espace interélectrode doit présenter une capacité C suffisamment faible afin que le temps caractéristique τ correspondant à sa charge ou plus généralement à son changement d'état soit inférieur à la période du signal électromagnétique à détecter. avec τ=RC, R étant la résistance de rayonnement de l'antenne.
Les caractéristiques et la forme de l'antenne sont adaptées en fonction des caractéristiques de fréquences et de bande passante du signal électromagnétique. Sur la figure 7, l'antenne a la forme simple d'un dipôle.
Dans ce cas, si le signal électromagnétique a une longueur d'onde effective moyenne Λ, la longueur de l'antenne doit être sensiblement de Λ/2. D'autres formes sont également possibles comme les antennes dites papillon et les antennes dites spirale qui présentent l'avantage d'une très grande bande passante.
Le matériau de l'antenne peut être de l'or. Bien entendu, le signal optique doit être focalisé au voisinage de ladite antenne, là où la concentration du signal électromagnétique et la variation d'absorption qu'il induit sont les plus importantes.
A titre d'exemple, la figure 8 représente une antenne 101 appropriée à la détection des ondes ayant des fréquences voisines du térahertz. Cette antenne de type dipôle est composée de deux parties symétriques et identiques. Sa longueur totale L vaut 40 microns. Chaque partie comporte un brin dont la largeur W vaut 800 nanomètres. Chaque brin est terminé par un demi-cercle dont le diamètre vaut 4 microns. La fente séparant les deux demi-cercles a une largeur d de 200 nanomètres. Cette fente constitue l'espace inter-électrode de l'antenne. Le signal optique de la sonde se réfléchit sur les deux demi-cercles. La largeur de la fente étant très inférieure à la longueur d'onde optique, l'intégralité de la surface constituée par les deux demi-cercles est réfléchissante. Cette antenne présente une résonance autour de 1 térahertz. Elle fige ainsi la bande de détection à quelques pour cents.
Dans ce cas, le signal optique de la sonde est focalisé au centre des deux demi-cercles.
Pour améliorer la sensibilité de détection, le gain de l'antenne peut être augmenté grâce à une lentille hémisphérique 102 centrée sur l'antenne comme indiqué sur la figure 9. Le matériau utilisé pour cette lentille doit être transparent pour le signal électromagnétique à caractériser. Ainsi, on peut réaliser cette lentille en saphir, en quartz, en téflon, en polyéthylène ou en matériau semi-conducteur à faible concentration de porteurs libres comme le silicium ultra-résistif ou l'arséniure de gallium semi-isolant.
A titre d'exemple, une lentille hémisphérique d'un diamètre de 5 millimètres peut être centrée et collée sur l'antenne de la figure 8.
Un second mode de réalisation pour augmenter le gain de l'antenne est indiqué en figure 10. L'antenne est réalisée sur une membrane
103 dont l'épaisseur effective est très inférieure à la longueur d'onde de l'onde électromagnétique à caractériser. Ainsi, le milieu actif reste transparent au signal électromagnétique.
On sait que les structures à puits quantiques ne sont sensibles qu'aux champs électriques perpendiculaires au plan moyen des couches. Comme on l'a vu, il est possible de redresser le champ du signal électromagnétique au moyen d'une antenne. Il est également possible d'obtenir cet effet au moyen d'un réseau de diffraction 104 disposé sur le milieu actif et adapté pour fonctionner dans la bande passante du signal électromagnétique comme indiqué sur la figure 11. Le réseau est alors agencé de façon que la partie du signal électromagnétique diffractée par ledit réseau ait une direction sensiblement parallèle au plan moyen des couches de matériau composant la structure à puits quantiques. Ainsi, la polarisation du signal électromagnétique qui est perpendiculaire à la direction de propagation est sensiblement perpendiculaire au plan des couches du milieu actif.
On a vu que le choix de la longueur d'onde du signal optique conditionne les performances du système. Il est avantageux de choisir des sources émettant sur une bande spectrale étroite et stables. Les lasers sont particulièrement bien adaptés à ce type de dispositif. Les moyens d'émission du signal optique sont, par exemple, des lasers de type DFB, acronyme anglosaxon signifiant Distributed FeedBack. Ces lasers émettent généralement dans le proche infra-rouge. Ils peuvent être fibres, l'émission du laser étant transmis dans une fibre optique monomode. Leur puissance de sortie peut être facilement modulée.
La sonde optique peut fonctionner soit par transmission, soit par réflexion. Le second mode de fonctionnement présente l'avantage de dissocier le signal électromagnétique et le signal optique qui peuvent être disposés de part et d'autre du milieu actif. Dans ce cas, si le milieu comporte une antenne, une des électrodes de cette antenne peut être utilisée comme miroir pour le signal optique.
Pour améliorer la sensibilité de détection, on peut augmenter la longueur d'interaction effective de la sonde avec le milieu actif. Pour ce faire, on place le milieu actif dans une cavité optique résonante. Celle-ci peut être formée :
• d'un premier coté du milieu actif, par l'électrode métallique de l'antenne qui peut avoir un coefficient de réflexion voisin de 100% et
• du côté opposé du milieu actif, par un miroir qui peut être un miroir métallique, diélectrique ou de Bragg à base de matériaux diélectriques ou de semi-conducteurs. La réflectivité de ce second miroir est optimisée pour maximiser la variation de la puissance optique rétro-transmise par cavité en fonction de la variation d'absorption dans le milieu actif. L'épaisseur optique de la cavité optique résonante doit être choisie de façon que les aller-retours du signal optique interfèrent positivement.
Dans le cas d'un fonctionnement par réflexion, il faut nécessairement que la sonde comporte des moyens opto-mécaniques disposés de façon à séparer le signal optique émis avant traversée du milieu actif du signal optique réfléchi par le milieu actif.
La figure 12 montre un premier exemple de réalisation de sonde optique fonctionnant par réflexion et comportant de tels moyens. Plus précisément, la sonde comporte :
• des moyens d'émission 201 du signal optique. Ces moyens d'émission sont par exemple une diode laser émettant dans le rayonnement visible ou infra-rouge ; • des moyens opto-mécaniques agencés de façon que le signal optique traverse le milieu absorbant. Ces moyens comportent :
• des lentilles de collimation et de focalisation 204, 209 et 210 ;
• une lame séparatrice 207. Si la source d'émission émet une lumière polarisée linéairement, cette lame peut être une lame séparatrice de polarisation. Dans ce cas, les coefficients de réflexion et de transmission de cette lame dépendent de la polarisation du signal et sont optimisés de façon à réfléchir et à transmettre le signal optique avec des rendements équilibrés. Pour changer la polarisation du signal optique incident, on peut, par exemple, placer une lame quart d'onde 206 entre la lame séparatrice 207 et le milieu actif 100. Dans ce cas, si la lame est convenablement orientée, la polarisation du signal optique réfléchi par le milieu actif et ayant traversé deux fois la lame quart d'onde a tourné de 90 degrés par rapport à la polarisation initiale du signal. On peut compléter ce dispositif au moyen d'une lame de réglage demi-onde 205 ou au moyen de réglages mécaniques permettant, par exemple, d'orienter la source d'émission.
• au moins un photodétecteur 202 agencé de façon à recevoir le signal optique 21 après traversée du milieu absorbant. La figure 13 montre un second exemple de réalisation de sonde optique fonctionnant par réflexion. Plus précisément, la sonde comporte :
• des moyens d'émission 201 du signal optique 20 ;
• des premiers moyens opto-mécaniques agencés de façon que le signal optique traverse le milieu absorbant. Ces moyens comportent :
• une lentille de collîmatîon 204, un miroir de renvoi 208 et une lentille de focalisation 209 disposés à la sortie des moyens d'émission 201 et qui permettent de focaliser le signal optique sur le milieu absorbant ;
• une lentille de focalisation 210. « au moins un photodétecteur 202 agencé de façon à recevoir le signal optique 21 après traversée du milieu absorbant et des lentilles 209 et 210.
La sonde optique peut comporter, en outre, une voie optique de référence comme indiqué sur la figure 12 comprenant :
• des seconds moyens opto-mécaniques 208 agencés de façon qu'une partie du signal optique 22 ne traverse pas le milieu absorbant ;
• au moins un second photodétecteur 203 agencé de façon à recevoir ladite partie du signal appelé signal référence. Cette disposition permet d'obtenir une détection indépendante des variations d'intensité du signal optique émis.
La figure 14 illustre un dispositif de détection de ce type. Les photodétecteurs 202 et 203 sont des photodiodes comportent une résistance de charge 211. La sortie de ces photodiodes est connectée aux entrées d'une détection synchrone 212. Un modulateur 213 émet un signal modulé qui commande la modulation du signal optique 20 émis par les moyens d'émission. Ce signal modulé est également fournie à la détection synchrone. En sortie de la détection synchrone, on obtient une tension proportionnelle à la différence d'intensité des signaux de mesure 21 et de référence 22. Dans ce cas, il est intéressant qu'en l'absence de signal électromagnétique, les signaux de mesure et de référence soient égaux. Ainsi, l'absence de signal donne une tension nulle en sortie de détection synchrone. Il est aisé de réaliser cette égalité de signaux en jouant sur les différents paramètres optiques de la sonde optique. II est, bien entendu, possible de regrouper une pluralité de détecteurs élémentaires pour former une matrice ou une barrette de détecteurs. Dans ce cas, les photodétecteurs élémentaires sont alors regroupés en une matrice de type CCD, acronyme anglo-saxon signifiant Charge Coupled Device.
Il est également préférable, dans ce cas, que le milieu actif soit commun à tous les détecteurs élémentaires de la matrice et que les moyens d'émission soient également communs à tous les détecteurs de la matrice, le signal unique émis étant séparé en une pluralité de signaux élémentaires dédiés à chaque détecteur élémentaire au moyen d'une matrice de microoptiques.
La figure 15 représente un dispositif de détection 30 comportant une telle matrice. Il comprend :
• un milieu actif 100 comportant une pluralité de zones de détection. Chaque zone peut comporter une antenne 101. Dans ce cas, l'écartement entre les différentes antennes donne la résolution spatiale du dispositif sachant qu'il faut éviter un trop grand recouvrement des lobes de réception des antennes ;
• des moyens d'émission 201 du signal optique. Ces moyens d'émission sont par exemple une diode laser émettant dans le rayonnement visible ou infra-rouge ;
• des moyens opto-mécaniques agencés de façon que le signal optique traverse le milieu absorbant 100 et soit focalisé dans les zones de détection. Ces moyens comportent : • une lentille de collimation 204 et un réseau de microlentilles 212 assurant la focalisation du signal optique sur les zones de détection ;
• une lame séparatrice 207 fonctionnant par polarisation. Cette lame est placée entre une lame demi-onde 205 et une lame quart d'onde 206 ;
• une barrette ou une matrice CCD 211 recevant les signaux optiques réfléchis par les différentes zones de détection.
De tels dispositifs peuvent être utilisés pour faire de l'imagerie téraHertz. Dans ce cas, comme indiqué sur la figure 16, une optique de focalisation 31 transparente aux ondes térahertz est disposée devant le dispositif de détection 30.
Ils peuvent également être utilisés pour faire de la spectroscopie térahertz. Dans ce cas, comme indiqué sur la figure 17, un prisme de dispersion ou un réseau de diffraction 32 et une lentille de focalisation 33 sont disposées devant le dispositif de détection 30. Un signal électromagnétique qui a la forme d'une onde plane est ainsi décomposé par ce dernier dispositif en signaux monochromatiques focalisés sur la barrette ou la matrice de détecteurs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur d'un signal électromagnétique (10) émis dans une première bande passante, caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement :
• Un milieu actif (100) éclairé par ledit signal électromagnétique (10), absorbant dans une seconde bande passante électromagnétique, l'absorption dudit milieu dans cette seconde bande passante dépendant de l'intensité dudit signal électromagnétique ;
• Une sonde optique comprenant :
• des moyens d'émission (201 ) d'un signal optique (20) dans ladite seconde bande passante ;
• des moyens opto-mécaniques (204, 205, 206, 207) agencés de façon que le signal optique (20) traverse le milieu actif absorbant ;
• au moins un photodétecteur (202) agencé de façon à recevoir le signal optique après traversée du milieu absorbant.
2. Détecteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que d'une part, le milieu actif (100) est constitué d'un matériau semi-conducteur massif ou épitaxié et que d'autre part, la longueur d'onde du signal optique est supérieure à la longueur d'onde d'absorption du matériau semi-conducteur, l'absorption étant réalisée par effet Franz-Keldysh.
3. Détecteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que d'une part, le milieu actif (100) est une structure à puits quantiques symétrique et que d'autre part, la longueur d'onde du signal optique est sensiblement voisine de celle d'une transition inter-bande ou intra-bande de ladite structure.
4. Détecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure comporte un empilement comprenant plusieurs dizaines de couches planes, parallèles entre elles et épaisses de plusieurs dizaines d'Angstrœms, les matériaux composant les couches étant alternativement du Ga.53In.47As et du Al.52In.4sAs, les couches étant épitaxiées sur un substrat d'InP semi-isolant dopé fer.
5. Détecteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que d'une part, le milieu actif (100) est une structure à puits quantiques dissymétrique et que d'autre part, la longueur d'onde du signal optique est sensiblement égale à celle d'une transition inter-bande ou intra-bande de ladite structure.
6. Détecteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le milieu actif (100) comporte un réseau de diffraction (104) adapté pour fonctionner dans la bande passante du signal électromagnétique.
7. Détecteur selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le réseau (104) est configuré de façon que la partie du signal électromagnétique diffractée par ledit réseau ait une direction sensiblement parallèle au plan moyen des couches de matériau composant la structure à puits quantiques.
8. Détecteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le milieu actif (100) comporte au moins une antenne (101 ) adaptée à la première bande passante du signal à détecter, le signal optique (20) étant focalisé par les moyens d'émission au voisinage de ladite antenne.
9. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'antenne est de type dipôle et est composée de deux parties symétriques et identiques, chaque partie comportant un brin terminé par un demi-cercle, la fente séparant les deux parties ayant une largeur très inférieure à la longueur d'onde du signal optique.
10. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le milieu actif (100) comporte une lentille hémisphérique (102) centrée sur l'antenne (101 ) et réalisée dans un matériau sensiblement transparent au signal électromagnétique.
11. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le milieu actif (100) a, dans la zone de l'antenne, la forme d'une membrane (103) de faible épaisseur, l'épaisseur de ladite membrane étant inférieure à la longueur d'onde moyenne du signal électromagnétique.
12. Détecteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la sonde optique fonctionne par réflexion, le détecteur comportant des moyens optiques aptes à réfléchir le signal optique après qu'il ait traversé le milieu absorbant.
13. Détecteur selon les revendications 8 à 12, caractérisé en ce que l'antenne (101 ) comprend au moins une électrode utilisée comme miroir pour le signal optique.
14. Détecteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit détecteur comporte une cavité optique résonnante dans laquelle est située le milieu actif, le signal optique étant focalisé par les moyens d'émission au voisinage de ladite cavité.
15. Détecteur selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les moyens opto-mécaniques comportent au moins une optique de séparation (207) placée de façon à séparer le signal optique émis avant traversée du milieu actif du signal optique réfléchi par le milieu actif.
16. Détecteur selon la revendication 15, caractérisé en ce que le signal optique est polarisé et que les coefficients de réflexion et de transmission de l'optique de séparation (207) dépendent de la polarisation dudit signal.
17. Détecteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la sonde optique comporte, en outre, une voie optique de référence comprenant :
• des seconds moyens opto-mécaniques (204, 208) agencés de façon qu'une partie du signal optique (20) ne traverse pas le milieu absorbant ; • au moins un second photodétecteur (203) agencé de façon à recevoir ladite partie du signal.
18. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal optique est émis soit dans l'ultra-violet, soit dans le visible soit dans l'infra-rouge.
19. Matrice ou barrette de détecteurs comportant une pluralité de détecteurs élémentaires, caractérisée en ce que lesdits détecteurs sont selon l'une des revendications précédentes et que les photodétecteurs élémentaires sont regroupés en une matrice (211 ) de type CCD.
20. Matrice ou barrette de détecteurs selon la revendication 19, caractérisé en ce que le milieu actif est commun à tous les détecteurs élémentaires de la matrice.
21. Matrice ou barrette de détecteurs selon la revendication 19, caractérisé en ce que les moyens d'émission sont communs à tous les détecteurs de la matrice, le signal unique émis étant séparé en une pluralité de signaux élémentaires dédiés à chaque détecteur élémentaire au moyen d'une matrice de micro-optiques (212).
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