FR2892514A1 - Detecteur d'ondes electromagnetiques a bande passante terahertz - Google Patents

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 coeur 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 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. 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, le 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 coeur 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 20 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 25 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 30 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 35 l'intensité dudit signal électromagnétique ; 3 • 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.531n.47As et du AI.521n.48As, 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 4 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 optomécaniques 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 20 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. 25 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 30 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 35 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 ; 25 • 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 30 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 20 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 25 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 a en fonction du champ électromagnétique E du signal électromagnétique est représentée par une courbe à symétrie impaire 30 centrée sur le champ électromagnétique E nul. Dans ce cas, l'absorption a suit les variations sinusoïdales du champ E en fonction du temps et la variation moyenne aMOYEN 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 a en fonction 35 du champ électromagnétique E du signal électromagnétique n'est pas une 7 courbe à symétrie impaire, alors l'absorption a ne suit pas les variations sinusoïdales du champ E en fonction du temps et la variation moyenne OMOYEN 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.

Il existe différents types de matériau présentant des coefficients d'absorption a 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≠0 en trait continu représente l'absorption en présence du signal électromagnétique et la courbe notée E=0 en traits pointillés représente l'absorption en l'absence du signal électromagnétique. La variation du coefficient d'absorption notée Au est maximale pour des longueurs d'onde Xo très légèrement supérieures à la longueur d'onde d'absorption a,g du matériau semi-conducteur. Ainsi, comme on peut le voir sur la figure 4b qui représente classiquement les niveaux d'énergie des bandes de valence Bv et de conduction Bc du matériau semi-conducteur, si le champ électromagnétique E est nul, un signal optique à la longueur d'onde 2o est transmis sans absorption. Si, au contraire, le champ E n'est plus nul, la longueur d'onde 20 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. Cornme indiqué sur la figure 5b, en l'absence de champ E appliqué, ces puits présentent des niveaux d'énergie discrets N1 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≠0 représente l'absorption de la structure à puits quantiques en présence de champ E et la courbe en traits pointillés notée E=0 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 X0 proche de la longueur d'onde a,12 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 a,o est absorbée, provoquant des transitions électroniques du niveau N1 vers le niveau N2. Ainsi, on maximise la variation d'absorption induite Au 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 35 électromagnétiques jusqu'au domaine des fréquences térahertz. Enfin, le 9 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 Angstroems, l'empilement ayant une épaisseur totale de 500 nanomètres. Les matériaux composant les couches sont alternativement du Ga.53ln,47As et du AI.521n.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=0 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 ?o 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 ao soit choisie égale à la longueur d'onde X12 de la transition de la structure à puits quantiques. Ainsi, si le champ électromagnétique E est nul, la longueur d'onde ?,o 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 Xo est transmise. Ainsi, la variation d'absorption induite Au 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 inter-électrode doit présenter une capacité C suffisamment faible afin que le temps caractéristique -r correspondant à sa charge ou plus généralement à son changement d'état soit inférieur à la période du signal électromagnétique à détecter. avec ti=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 A, la longueur de l'antenne doit être sensiblement de A/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 10 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 15 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 20 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 25 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. 30 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 35 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 fibrés, 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 10 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 ; 15 • 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 20 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 25 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 lemilieu 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 30 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. 35 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 5 le signal optique traverse le milieu absorbant. Ces moyens comportent : • une lentille de collimation 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. 10 • 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 15 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. 20 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 25 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 30 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. 35 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 micro-optiques. 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 20 d'émission sont par exemple une diode laser émettant dans le rayonnement visible ou infra-rouge ; • des rnoyens 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 : 25 • une lentille de collimation 204 et un réseau de micro-lentilles 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 30 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 35 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.10

Claims (21)

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'Angstrcems, les matériaux composant les couches étant alternativement duGa.531n.47As et du AI.521n.48As, 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 10 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 15 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 20 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 25 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. 30

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. 15

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. 20

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. 25

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. 30

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 35 absorbant ; 10• au moins un second photodétecteur (203) agencé de façon à recevoir ladite partie du signal.

18. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, 5 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 10 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 15 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 20 de signaux élémentaires dédiés à chaque détecteur élémentaire au moyen d'une matrice de micro-optiques (212).