FR3122742A1 - Method and device for analyzing high rate, deep and broadband terahertz modulation - Google Patents
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Abstract
Procédé et dispositif d’analyse de modulation térahertz à cadence rapide, profonde et large bande La présente invention concerne un dispositif de modulation d’ondes térahertz comprenant un support primaire (1), un support secondaire (2), un laser (3), une membrane (4) solidaire du support primaire (1), un carter de protection (5), et un support de montage optique (6) solidarisé au carter (5) ; ledit dispositif est remarquable en ce qu’il comprend des moyens de modulation d'ondes térahertz basé sur une couche de semi-conducteur III-V dont la permittivité est optiquement modifiée par un processus de photogénération pour maximiser l'efficacité de modulation par des moyens de modulation de la permittivité. Un autre objet de l’invention concerne un procédé de modulation térahertz à large bande. Figure 1Method and device for analyzing terahertz modulation at fast, deep and broadband rate The present invention relates to a device for modulating terahertz waves comprising a primary medium (1), a secondary medium (2), a laser (3), a membrane (4) secured to the primary support (1), a protective casing (5), and an optical mounting bracket (6) secured to the casing (5); said device is remarkable in that it comprises terahertz wave modulation means based on a III-V semiconductor layer whose permittivity is optically modified by a photogeneration process to maximize the modulation efficiency by means modulation of the permittivity. Another object of the invention relates to a wideband terahertz modulation method. Figure 1
Description
La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'analyse de modulation térahertz à large bande accordable, en profondeur, polyvalent et à grande vitesse, et plus particulièrement, un modulateur d'ondes térahertz capable d'effectuer une modulation d'ondes térahertz basée sur le transport par injection et diffusion de paires électron-trou excitées par une lumière incidente et d'effectuer divers types de modulations sur la base de l'intensité d'une onde incidente et d'un matériau semi-conducteur III-V tel qu'un matériau d'arséniure d'indium.The present invention relates to a tunable, deep, versatile and high-speed broadband terahertz modulation analysis method and device, and more particularly, to a terahertz wave modulator capable of performing terahertz wave modulation based on the injection and diffusion transport of electron-hole pairs excited by incident light and to perform various types of modulations based on the intensity of an incident wave and a III-V semiconductor material such as an indium arsenide material.
Etat de la techniqueState of the art
Dans le domaine de la modulation de transmission dans les modulateurs térahertz commerciaux, il est bien connu quatre différents systèmes : les transistors III-V à haute mobilité électronique (HEMT), les circuits en silicium à métal-oxyde-semiconducteur complémentaire (CMOS), les microbolomètres et les dispositifs pyroélectriques qui fonctionnent à température ambiante.In the field of transmission modulation in commercial terahertz modulators, four different systems are well known: III-V high electron mobility transistors (HEMTs), complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) silicon circuits, microbolometers and pyroelectric devices that operate at room temperature.
Tous ces systèmes de modulation présentent néanmoins plusieurs inconvénients : encombrement, faible vitesse de modulation, modulation peu profonde à température ambiante et plage de fonctionnement étroite dans les fréquences THz. Cela les limite à l'émergence rapide de cette gamme spectrale térahertz dans les applications industrielles à grande échelle.
All these modulation systems nevertheless have several disadvantages: bulk, low modulation speed, shallow modulation at room temperature and narrow operating range in THz frequencies. This limits them to the rapid emergence of this terahertz spectral range in large-scale industrial applications.
En particulier, diverses méthodes d'utilisation d'une onde térahertz nouvellement développée dans une gamme d'ondes électromagnétiques ont été proposées récemment.In particular, various methods of using a newly developed terahertz wave in an electromagnetic wave range have been proposed recently.
Un exemple de ces méthodes peut inclure une méthode d'utilisation de la résonance plasmonique de surface du concepteur générée dans une onde térahertz, une méthode d'utilisation d'un métamatériau, une méthode de contrôle de l'amplitude d'une onde térahertz basée sur une méthode d'excitation d'électrons libres dans un semi-conducteur III-V, et autres.An example of these methods may include a method of using the designer's surface plasmon resonance generated in a terahertz wave, a method of using a metamaterial, a method of controlling the amplitude of a terahertz wave based on a method of excitation of free electrons in a III-V semiconductor, and others.
On connaît notamment le document US2014/001379A1, dans lequel on a poussé l'efficacité de la modulation encore plus loin en utilisant un matériau organique.
Document US2014/001379A1 is known in particular, in which the efficiency of the modulation has been pushed even further by using an organic material.
Les lasers femtosecondes à verrouillage de mode des années 1990 ont favorisé le développement de la spectroscopie THz dans le domaine temporel (THz-TDS). Il s'agit d'une première étape pour démontrer la possibilité de détection et d'imagerie THz pour la première fois. Cependant, elle nécessite une puissance de pompage élevée pour obtenir une modulation significative de la biréfringence du cristal capteur. Malgré ses performances, il était encombrant et coûteux.The mode-locked femtosecond lasers of the 1990s spurred the development of time-domain THz spectroscopy (THz-TDS). This is a first step to demonstrate the possibility of THz detection and imaging for the first time. However, it requires a high pumping power to obtain a significant modulation of the birefringence of the sensor crystal. Despite its performance, it was bulky and expensive.
Les métamatériaux constituent une autre approche du contrôle du rayonnement des ondes THz. Les métamatériaux sont des composants passifs qui offrent une plateforme polyvalente pour manipuler la phase, la polarisation ou l'intensité des ondes électromagnétiques.
Another approach to controlling THz wave radiation is metamaterials. Metamaterials are passive components that provide a versatile platform for manipulating the phase, polarization, or intensity of electromagnetic waves.
Cependant, ces métamatériaux fonctionnent dans une fréquence térahertz étroite. Des composants actifs tels que des composants hybrides ont été étudiés mais ils sont limités par les actions spectrales et de modulation puisque le décalage spectral pour les résonances s'accompagne d'une efficacité décroissante.However, these metamaterials operate in a narrow terahertz frequency. Active components such as hybrid components have been studied but they are limited by spectral and modulation actions since the spectral shift for resonances is accompanied by decreasing efficiency.
Des métamatériaux multicouches ont été créées pour moduler une fréquence spécifique, cependant, cette approche est limitée dans l'accordabilité large bande en raison de la géométrie statique des structures.Multi-layered metamaterials have been created to modulate a specific frequency, however, this approach is limited in broadband tunability due to the static geometry of the structures.
Des métamatériaux multicouches avec une surface structurée 1D ont été simulées, en s’appuyant sur un principe connu pour les ondes infrarouge, pour avoir un contrôle dynamique de la polarisation électrique ou magnétique des ondes térahertz.Multilayer metamaterials with a 1D structured surface have been simulated, based on a principle known for infrared waves, to have a dynamic control of the electrical or magnetic polarization of terahertz waves.
Des métamatériaux multicouches avec une surface structurée en 2D ont également été simulées, en s’appuyant sur un principe connu pour les ondes infrarouge, pour avoir un contrôle dynamique des propriétés de chiralité des ondes térahertz.Multilayered metamaterials with a 2D structured surface were also simulated, relying on a principle known for infrared waves, to have a dynamic control of the chirality properties of terahertz waves.
Les tentatives de modulation des ondes térahertz directement à partir de la source térahertz pour contrôler l'amplitude, la phase, la polarisation, etc., d'une longueur d'onde de transmission dans diverses gammes d'ondes électromagnétiques, ont été largement réalisées, mais la vitesse de modulation et la cohérence de l'onde térahertz générée sont limitées quand il y a une cadence de modulation rapide.Attempts to modulate terahertz waves directly from the terahertz source to control the amplitude, phase, polarization, etc., of a transmission wavelength in various electromagnetic wavebands, have been widely realized. , but the modulation speed and coherence of the generated terahertz wave is limited when there is a fast modulation rate.
La détection synchrone térahertz est une technique largement utilisée. Cependant, cela reste un obstacle important pour les applications térahertz qui dépendent d'une modulation rapide (par exemple, l'imagerie en temps réel dans un tapis roulant).Terahertz synchronous sensing is a widely used technique. However, this remains a significant obstacle for terahertz applications that depend on fast modulation (eg, real-time imaging in a treadmill).
Les tentatives d'amélioration du rapport signal/bruit (SNR) dans la chaîne d’amplification d’un récepteur térahertz sont très populaires pour obtenir le maximum de sensibilité et d'information térahertz. Cependant, la modulation des ondes térahertz est limitée à quelques centaines de kHz. La modulation de la sensibilité du détecteur térahertz limite le rapport signal/bruit (SNR) pour les applications actuelle térahertz.Attempts to improve the signal-to-noise ratio (SNR) in the amplifier chain of a terahertz receiver are very popular to obtain the maximum sensitivity and terahertz information. However, the modulation of terahertz waves is limited to a few hundred kHz. Modulating the terahertz detector sensitivity limits the signal-to-noise ratio (SNR) for current terahertz applications.
Pour résumer, la raison principale pour laquelle la technologie térahertz n'a pas encore été mise en œuvre dans le domaine des applications est due au manque d'instrumentation pour contrôler de manier versatile les ondes électromagnétiques térahertz. Les sources térahertz sont des technologies matures puisqu'elles réutilisent des technologies disponibles dans d'autres gammes de fréquences ; c'est pourquoi nous disposons d'une large gamme d'instrumentation de sources térahertz. La détection térahertz est également une technologie mature, néanmoins la sensibilité de la chaîne du récepteur du détecteur térahertz est encore très limitée. C’est pour cette raison qu’il y a encore un manque de modulateurs térahertz en raison du manque de matériaux électro-optiques sensibles devant une onde térahertz pour créer des modulateurs térahertz polyvalents.To sum up, the main reason why terahertz technology has not yet been implemented in the field of applications is due to the lack of instrumentation to control terahertz electromagnetic waves in a versatile way. Terahertz sources are mature technologies since they reuse technologies available in other frequency ranges; this is why we have a wide range of terahertz source instrumentation. Terahertz detection is also a mature technology, however the sensitivity of the receiver chain of the terahertz detector is still very limited. It is for this reason that there is still a lack of terahertz modulators due to the lack of electro-optical materials sensitive to a terahertz wave to create general-purpose terahertz modulators.
Divulgation de l’inventionDisclosure of Invention
La présente invention vise à fournir un modulateur d'onde térahertz à haute cadence de modulation, miniaturisé, et capable de modifier de manière variée une onde térahertz transmise et de maximiser l'efficacité de la modulation couplée à une méthode pilotée par logiciel par le biais d'un micrologiciel et d'une commande électronique.The present invention aims to provide a terahertz wave modulator with high modulation rate, miniaturized, and capable of modifying a transmitted terahertz wave in a variety of ways and maximizing the efficiency of the modulation coupled with a method controlled by software through firmware and electronic control.
En outre, la présente invention vise à fournir un dispositif de commutation d'onde térahertz capable de moduler la transmission d'une onde térahertz à température ambiante et de moduler uniformément l'amplitude sur une large bande de la gamme térahertz.Further, the present invention aims to provide a terahertz wave switching device capable of modulating the transmission of a terahertz wave at room temperature and uniformly modulating the amplitude over a wide band of the terahertz range.
De plus, le dispositif passif (lame optique) est maintenant entièrement actif en ayant la caractéristique de réfléchir et d'absorber dynamiquement l'onde térahertz.In addition, the passive device (optical blade) is now fully active having the characteristic of dynamically reflecting and absorbing the terahertz wave.
La présente invention intègre un outil unique de simulation térahertz qui aide l'utilisateur à mieux comprendre le phénomène physique en jeu et à calculer la meilleure combinaison de paramètres pour une application donnée.The present invention integrates a unique terahertz simulation tool which helps the user to better understand the physical phenomenon involved and to calculate the best combination of parameters for a given application.
La présente invention intègre un logiciel et un micrologiciel qui permettent un contrôle total du dispositif tout en obtenant des informations en temps réel.The present invention integrates software and firmware that allows full control of the device while obtaining real-time information.
A cet effet, et conformément à l’invention, il est proposé un dispositif de modulation d’ondes térahertz comprenant un support primaire, un support secondaire, un laser, une membrane solidaire du support primaire, un carter de protection, et un support de montage optique solidarisé au carter ; remarquable en ce qu’il comprend des moyens de modulation d'ondes térahertz basé sur une couche de semi-conducteur III-V dont la permittivité est optiquement modifiée par un processus de photogénération pour maximiser l'efficacité de modulation par des moyens de modulation de la permittivité.To this end, and in accordance with the invention, a terahertz wave modulation device is proposed comprising a primary support, a secondary support, a laser, a membrane integral with the primary support, a protective casing, and a optical assembly secured to the housing; remarkable in that it comprises terahertz wave modulation means based on a layer of III-V semiconductor whose permittivity is optically modified by a photogeneration process to maximize the modulation efficiency by means of modulation of permittivity.
Un tel dispositif de modulation d’ondes térahertz à haute cadence fournit une grande contribution pour l'instrumentation de spectroscopie térahertz pour des applications comment par exemple la détection du gaz, les télécommunications, l’imagerie, les tests non destructifs, les sources de basse et haute puissance pour les systèmes de spectroscopie et l’instrumentation astronomique.Such a high rate terahertz wave modulation device provides a great contribution for terahertz spectroscopy instrumentation for applications such as gas detection, telecommunications, imaging, non-destructive testing, bass sources and high power for spectroscopy systems and astronomical instrumentation.
Le dispositif de modulation d’ondes térahertz selon l’invention offre en outre une solution industrielle miniaturisée, ce qui permet ainsi l’adoption de ce produit dans des applications dans un grand nombre de domaines.The terahertz wave modulation device according to the invention also offers a miniaturized industrial solution, which thus allows the adoption of this product in applications in a large number of fields.
En effet, les détecteurs de gaz actuels utilisent la technologie infrarouge mais sont incapables de détecter les gaz naturels à haute résolution.Indeed, current gas detectors use infrared technology but are unable to detect natural gases at high resolution.
Les ondes térahertz sont fortement utilisées pour des applications d’inspection non-destructives des matériaux composites grâce aux propriétés électromagnétiques térahertz qui permettent de traverser des matériaux polymères non métalliques.Terahertz waves are widely used for non-destructive inspection applications of composite materials thanks to the terahertz electromagnetic properties that allow them to pass through non-metallic polymer materials.
Un dispositif de modulation d’ondes térahertz à haute cadence de modulation pour les sources de basse et haute puissance type électro-vide (« electro-vacuum » en anglais) permet d'obtenir un taux de commutation plus élevé. La tenue au flux térahertz pour les sources de haute puissance, par exemple 1W, est un avantage du dispositif selon l’invention car le diamètre du faisceau dans le dispositif de modulation térahertz ne sera pas inferieur a 1 mm2. Cela fait donc des densités de puissances faibles et éloignées de seuils de dommage ouvrant vers des domaines tels que celui des cyclotrons, et également vers le domaine des télécommunications.A device for modulating terahertz waves at a high modulation rate for low and high power sources of the electro-vacuum type (“electro-vacuum” in English) makes it possible to obtain a higher switching rate. Resistance to terahertz flux for high power sources, for example 1 W, is an advantage of the device according to the invention since the diameter of the beam in the terahertz modulation device will not be less than 1 mm 2 . This therefore results in low power densities far removed from damage thresholds opening up to fields such as that of cyclotrons, and also to the field of telecommunications.
Un dispositif de modulation d’ondes térahertz à haute cadence de modulation dans l'instrumentation astronomique offre une marge de manœuvre plus rapide dans les calibrations que pour les applications de type frontales (« front-end » en anglais).A high modulation rate terahertz wave modulation device in astronomical instrumentation offers faster room for maneuver in calibrations than for front-end type applications.
Pour ces dernières applications basées sur la spectroscopie térahertz, une modulation rapide de la part du modulateur térahertz selon l’invention permet d'augmenter le rapport signal/bruit de l’analyse spectroscopie térahertz grâce à la haute cadence de modulation pour ce type d'applications.For these latter applications based on terahertz spectroscopy, rapid modulation on the part of the terahertz modulator according to the invention makes it possible to increase the signal/noise ratio of the terahertz spectroscopy analysis thanks to the high modulation rate for this type of apps.
De préférence, les moyens de modulation de la permittivité sont constitués du laser. En variante, d’autres types de stimuli que le laser sont possibles, comme par exemple thermique, mécanique et électrique.Preferably, the means for modulating the permittivity consist of the laser. As a variant, other types of stimuli than the laser are possible, such as for example thermal, mechanical and electrical.
Par ailleurs, le dispositif peut comprendre des moyens pour moduler la largeur de la longueur d'onde, l'amplitude et/ou la phase, par la déformation de la forme d'onde dans le domaine temporel, couplés avec une structuration de la surface pour induire des phénomènes comme le plasmon de surface d’un concepteur.Furthermore, the device may comprise means for modulating the width of the wavelength, the amplitude and/or the phase, by the deformation of the waveform in the time domain, coupled with a structuring of the surface to induce phenomena like a designer's surface plasmon.
Le dispositif peut également comprendre une unité de rayonnement d'onde térahertz focalisée à incidence verticale rayonnant une onde incidente sur la couche de semi-conducteur III-V.The device may also include a vertically incident focused terahertz wave radiation unit radiating a wave incident on the III-V semiconductor layer.
Le dispositif peut également comprendre un microcontrôleur relié aux moyens de modulation d'ondes térahertz, le microcontrôleur stockant un micrologiciel apte à générer des signaux à haute résolution pour la commande des moyens de modulation d'ondes térahertz.The device can also comprise a microcontroller connected to the terahertz wave modulation means, the microcontroller storing firmware capable of generating high-resolution signals for controlling the terahertz wave modulation means.
Un autre objet de l’invention concerne un procédé de modulation d’ondes térahertz, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif comprenant un support primaire, un support secondaire, un laser, une membrane solidaire du support primaire, un carter de protection, et un support de montage optique solidarisé au carter ; remarquable en ce que le dispositif comprend des moyens de modulation d'ondes térahertz basés sur une couche de semi-conducteur III-V, et en ce que le procédé comporte une étape de modification optique de la permittivité d’une couche de semi-conducteur III-V par un processus de photogénération pour maximiser l'efficacité de modulation par des moyens de modulation de la permittivité.Another object of the invention relates to a method for modulating terahertz waves, the method being implemented by a device comprising a primary support, a secondary support, a laser, a membrane secured to the primary support, a protective casing, and an optical mounting bracket secured to the housing; remarkable in that the device comprises terahertz wave modulation means based on a III-V semiconductor layer, and in that the method comprises a step of optical modification of the permittivity of a semiconductor layer III-V by a photogeneration process to maximize modulation efficiency by permittivity modulation means.
Ledit procédé peut également comporter une étape de modulation de la largeur de la longueur d'onde, l'amplitude et/ou la phase, par la déformation de la forme d'onde dans le domaine temporel, couplés avec un plasmon de surface d’un concepteur ou avec un métamatériau.Said method may also comprise a step of modulating the width of the wavelength, the amplitude and/or the phase, by the deformation of the waveform in the time domain, coupled with a surface plasmon of a designer or with a metamaterial.
Ledit procédé peut également comporter une étape de calcul de la permittivité en résolvant une équation de transport des charges photogénérées couplées et contrôlées par le coefficient de diffusion ambipolaire pour les porteurs libres.Said method can also comprise a step of calculating the permittivity by solving a transport equation of the photogenerated charges coupled and controlled by the ambipolar diffusion coefficient for the free carriers.
Avantageusement, le dispositif comprend en outre un microcontrôleur relié aux moyens de modulation d'ondes térahertz, le microcontrôleur stockant un micrologiciel apte à générer des signaux à haute résolution pour la commande des moyens de modulation d'ondes térahertz. Ledit procédé peut alors également comporter une phase, mise en œuvre par le micrologiciel, de commande des moyens de modulation d'ondes térahertz, ladite phase comprenant une première étape de réception d’un signal de commande transmis via une liaison de communication sans fil, ledit signal de commande correspondant à une fréquence centrale térahertz prédéterminée, une deuxième étape de génération d’un signal à haute résolution, et une troisième étape de transmission du signal à haute résolution aux moyens de modulation d’ondes térahertz pour la commande de ces moyens sur ladite fréquence centrale térahertz prédéterminée.Advantageously, the device further comprises a microcontroller connected to the terahertz wave modulation means, the microcontroller storing firmware capable of generating high-resolution signals for controlling the terahertz wave modulation means. Said method can then also comprise a phase, implemented by the firmware, of controlling the terahertz wave modulation means, said phase comprising a first step of receiving a control signal transmitted via a wireless communication link, said control signal corresponding to a predetermined terahertz center frequency, a second step of generating a high resolution signal, and a third step of transmitting the high resolution signal to the terahertz wave modulation means for controlling these means at said predetermined terahertz center frequency.
Avantageusement, une table de correspondance stockant des couples de fréquences centrales térahertz/ valeurs d’irradiance de pompe de diode laser est initialement transmise à ou préimplantée dans le micrologiciel, chaque valeur d'irradiance de pompe de diode laser étant choisie de telle sorte que cette valeur maximise la transmission de l'onde térahertz pour la fréquence centrale térahertz à laquelle elle est associée, et, lors de la phase de commande des moyens de modulation d'ondes térahertz, le signal à haute résolution généré et transmis par le micrologiciel permet, via la table de correspondance, d’appliquer la meilleure irradiance de pompe au laser, pour ladite fréquence centrale térahertz prédéterminée.Advantageously, a correspondence table storing pairs of terahertz central frequencies/laser diode pump irradiance values is initially transmitted to or pre-implemented in the firmware, each laser diode pump irradiance value being chosen such that this value maximizes the transmission of the terahertz wave for the central terahertz frequency with which it is associated, and, during the control phase of the terahertz wave modulation means, the high-resolution signal generated and transmitted by the firmware allows, via the correspondence table, to apply the best pump irradiance to the laser, for said predetermined terahertz center frequency.
Cette technique attrayante, associée à une méthode basée sur l'analyse ligne par ligne, permet d'obtenir un dispositif polyvalent, à modulation de profondeur, entièrement reconfigurable et à grande vitesse, fonctionnant sur une large gamme de fréquences dans la plage des térahertz. Afin de contrôler le dispositif, un micrologiciel et un logiciel sont nécessaires. Le micrologiciel génère des signaux à haute résolution et contrôle la modulation avec une grande précision. Le logiciel fournit quant à lui une méthode d'évaluation de la qualité de la mesure de la modulation des ondes térahertz à travers une interface conviviale permettant de piloter l'ensemble du système. Le logiciel contiendra également une section de simulation où l'utilisateur pourra effectuer des simulations théoriques et mieux comprendre le phénomène térahertz.This attractive technique, together with a method based on line-by-line analysis, results in a versatile, depth-modulated, fully reconfigurable, high-speed device operating over a wide range of frequencies in the terahertz range. In order to control the device, firmware and software are required. The firmware generates high resolution signals and controls the modulation with high precision. The software provides a method for evaluating the quality of the measurement of the modulation of terahertz waves through a user-friendly interface allowing the whole system to be controlled. The software will also contain a simulation section where the user can perform theoretical simulations and better understand the terahertz phenomenon.
La présente invention trouve également une application dans la création d'une nouvelle génération de télescopes térahertz. Au lieu d'utiliser uniquement pour le télescope un actionneur optique (laser) qui irradie une membrane semi-conductrice III-V, il est possible d’utiliser un réseau d’actionneurs optiques, chaque actionneur optique comprenant un dispositif de modulation d’ondes térahertz tel que décrit ci-dessus. Ce réseau d’actionneurs permet de reproduire un capteur de front d'onde Shack-Hartmann en modifiant l'indice de réfraction d'une grande membrane en matériau semi-conducteur III-V en utilisant différentes irradiances laser. Le changement d'indice de réfraction peut être utilisé pour contrôler l'intensité, la phase et la polarisation des ondes térahertz. L'onde térahertz peut également être modulée avec une accordabilité large bande, une modulation profonde et à grande vitesse. Cette technologie permet de réduire l’influence des vibrations mécaniques et du bruit électronique qui se produisent avec l'état de l'art actuel dans le domaine de l'instrumentation des télescopes. Le taux de modulation à grande vitesse offre un rapport signal sur bruit (SNR) élevé. Un tel équipement d'instrumentation astronomique est destiné aux applications d'astrophysique qui ont un besoin immédiat de trouver une technologie appropriée pour créer un télescope térahertz.The present invention also finds application in the creation of a new generation of terahertz telescopes. Instead of using only an optical actuator (laser) for the telescope which irradiates a III-V semiconductor membrane, it is possible to use an array of optical actuators, each optical actuator comprising a wave modulation device terahertz as described above. This network of actuators makes it possible to reproduce a Shack-Hartmann wavefront sensor by modifying the refractive index of a large membrane in III-V semiconductor material using different laser irradiances. The change in refractive index can be used to control the intensity, phase, and polarization of terahertz waves. The terahertz wave can also be modulated with broadband tunability, deep and high-speed modulation. This technology reduces the influence of mechanical vibrations and electronic noise that occur with the current state of the art in the field of telescope instrumentation. The high-speed modulation rate provides a high signal-to-noise ratio (SNR). Such astronomical instrumentation equipment is intended for astrophysics applications that have an immediate need to find suitable technology to create a terahertz telescope.
D’autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre d’une unique variante d’exécution, donnée à titre d’exemple non limitatif, du procédé et du dispositif d’analyse de modulation térahertz à large bande et à cadences de modulation rapides et profondes, conformément à l’invention et en référence à la liste des dessins suivants, sur lesquels :Other advantages and characteristics will emerge better from the following description of a single alternative embodiment, given by way of non-limiting example, of the method and of the device for analyzing broadband terahertz modulation and at rapid and deep modulation, in accordance with the invention and with reference to the list of the following drawings, in which:
Mode de réalisation de l’inventionMode of carrying out the invention
Selon un aspect de la présente invention, il est prévu un modulateur d'ondes térahertz, comprenant : (a) (i) un substrat semi-conducteur III-V qui est la couche de modulation térahertz 4 ; et (b) une première unité de rayonnement d'onde térahertz focalisée à incidence verticale rayonnant une première onde incidente 10 (la première unité de rayonnement n’étant pas représentée sur les figures, l’onde incidente 10 étant visible sur les figures 2 à 6) comprenant une région d'onde térahertz devant être incidente verticalement sur la couche de modulation térahertz 4. L’onde incidente 10 est focalisée dans le but de pouvoir passer à travers des trous de la couche 4 qui ont un diamètre de l’ordre 2,25 mm.According to one aspect of the present invention, there is provided a terahertz wave modulator, comprising: (a) (i) a III-V semiconductor substrate which is the terahertz modulation layer 4; and (b) a first vertically incident focused terahertz wave radiation unit radiating a first incident wave 10 (the first radiation unit not being shown in the figures, the incident wave 10 being visible in Figures 2 to 6) comprising a terahertz wave region to be incident vertically on the terahertz modulation layer 4. The incident wave 10 is focused in order to be able to pass through holes in the layer 4 which have a diameter of the order 2.25mm.
La couche de matériau semi-conducteur III-V 4 peut être non dopée ou dopée, telle qu'une membrane d'arséniure d'indium acquise dans le commerce ou par croissance épitaxiale.The layer of III-V semiconductor material 4 can be undoped or doped, such as an indium arsenide membrane acquired commercially or by epitaxial growth.
La couche de matériau semi-conducteur III-V 4 peut être déposée sur un support 1 par une colle époxy. L'épaisseur appropriée de la couche de matériau semi-conducteur III-V 4 peut être obtenue par des méthodes de gravure chimique sèche ou bien humide pour lisser la surface.The layer of III-V semiconductor material 4 can be deposited on a support 1 by an epoxy glue. The appropriate thickness of the layer of III-V semiconductor material 4 can be obtained by dry or wet chemical etching methods to smooth the surface.
Le modulateur d'onde térahertz peut en outre comprendre : (c) une seconde unité 3 de rayonnement d'onde incidente 12 qui rayonne la région d'onde térahertz, à un angle contrôlé (optimisé à l'angle de Brewster qui est de 74 degrés dans le matériau d'arséniure d'indium) pour être incidente sur la couche de modulation térahertz 4. La seconde unité 3 de rayonnement d’onde incidente 12 éclaire de manière homogène la couche de matériau semi-conducteur III-V 4. Comme illustré sur les figures 3 à 6, l’onde incidente 12 qui vient frapper la couche de matériau semi-conducteur III-V 4 produit une onde réfléchie 14.The terahertz wave modulator may further comprise: (c) a second incident wave radiation unit 3 12 which radiates the terahertz wave region, at a controlled angle (optimized at the Brewster angle which is 74 degrees in the indium arsenide material) to be incident on the terahertz modulation layer 4. The second unit 3 of incident wave radiation 12 homogeneously illuminates the layer of III-V semiconductor material 4. As illustrated in FIGS. 3 to 6, the incident wave 12 which strikes the layer of III-V semiconductor material 4 produces a reflected wave 14.
La seconde onde incidente 12 (visible sur les figures 2 à 6) est une onde collimatée dans le proche infrarouge (par exemple à 808 nm à 500 mW) qui peut être une onde continue ou pulsée qui provient par exemple d’une diode laser de type diode PIN, ou bien encore d’une diode laser à cavité verticale émettant par la surface, ou VCSEL (de l’anglais « Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser »). Dans ce dernier cas, la diode laser est en effet plus compacte et permet une modulation des ondes térahertz à haute cadence avec un rapport signal sur bruit élevé pour l’onde térahertz.The second incident wave 12 (visible in FIGS. 2 to 6) is a collimated wave in the near infrared (for example at 808 nm at 500 mW) which can be a continuous or pulsed wave which comes for example from a laser diode of of the PIN diode type, or even a surface-emitting vertical-cavity laser diode, or VCSEL (from the English “Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser”). In the latter case, the laser diode is in fact more compact and allows modulation of the terahertz waves at high rate with a high signal-to-noise ratio for the terahertz wave.
La région d'onde térahertz sur la couche de modulation térahertz 4 doit être irradiée de manière homogène par le rayonnement de la seconde onde incidente 12 ayant un modèle de diamètre de point prédéterminé, plus grand que le diamètre du support 1 et que celui de la couche 4. La seconde onde incidente 12 pénètre la membrane semi-conductrice III-V 4 telle que l'arséniure d'indium située sur le support de maintien 1, et produit ainsi, par photogénération, des paires électrons-trous à l’intérieur de la membrane semi-conductrice III-V 4. La densité de porteurs déplace la fréquence de plasma du matériau au-delà de la plage térahertz. Cela signifie que le faisceau térahertz focalisé 10 « voit » la membrane semi-conductrice III-V 4 avec un indice de réfraction différent lorsque la seconde onde incidente 12 éclaire la membrane 4.The terahertz wave region on the terahertz modulation layer 4 should be homogeneously irradiated by the radiation of the second incident wave 12 having a predetermined spot diameter pattern, larger than the diameter of the support 1 and than that of the layer 4. The second incident wave 12 penetrates the III-V semiconductor membrane 4 such as indium arsenide located on the holding support 1, and thus produces, by photogeneration, electron-hole pairs inside of the III-V semiconductor membrane 4. The carrier density shifts the plasma frequency of the material beyond the terahertz range. This means that the focused terahertz beam 10 "sees" the III-V semiconductor membrane 4 with a different refractive index when the second incident wave 12 illuminates the membrane 4.
Ainsi, en référence aux figures 1 à 4, le dispositif comporte un support primaire 1, un support secondaire 2, un laser 3, une membrane 4 solidaire du support primaire 1, un carter de protection 5, et un support de montage optique 6 solidarisé au carter 5. Le dispositif peut également comporter un support optique à base fendue 9, configuré pour recevoir le support de montage optique 6. Le support primaire 1 est typiquement inséré dans le support secondaire 2. Comme illustré sur les figures 1 et 2, le carter de protection 5 est typiquement constitué de deux coques complémentaires. Le support de montage optique 6 est typiquement solidarisé au carter 5 par un écrou hexagonal 7.Thus, with reference to Figures 1 to 4, the device comprises a primary support 1, a secondary support 2, a laser 3, a membrane 4 secured to the primary support 1, a protective casing 5, and an optical assembly support 6 secured to the housing 5. The device may also comprise a slotted base optical support 9, configured to receive the optical mounting support 6. The primary support 1 is typically inserted into the secondary support 2. As illustrated in Figures 1 and 2, the protective casing 5 typically consists of two complementary shells. Optical mounting bracket 6 is typically secured to housing 5 by a hex nut 7.
Selon un autre aspect de la présente invention, il est prévu un dispositif de commutation d'onde térahertz, comprenant : le modulateur térahertz et comprenant en outre une unité de commande de rayonnement de seconde onde incidente (une telle unité n’étant pas représentée sur les figures) déterminant si la seconde onde incidente est rayonnée.According to another aspect of the present invention, there is provided a terahertz wave switching device, comprising: the terahertz modulator and further comprising a second incident wave radiation control unit (such a unit not being shown in the figures) determining whether the second incident wave is radiated.
Le simulateur présent dans le logiciel contient une logique métier directement issue de travaux théoriques et traduite dans un langage de programmation. Ce langage de programmation doit être optimisé pour les calculs lourds ainsi que pour le traitement des images.The simulator present in the software contains business logic directly derived from theoretical work and translated into a programming language. This programming language must be optimized for heavy calculations as well as for image processing.
Un protocole de communication a été établi entre le logiciel et le matériel en utilisant la communication série qui est un standard industriel. Toutes les communications entre le logiciel et le micrologiciel sont soumises à des contrôles, le logiciel et le micrologiciel devant être maintenus dans le temps via des correctifs et/ou des mises à jour.A communication protocol has been established between software and hardware using serial communication which is an industry standard. All communications between software and firmware are subject to controls, with software and firmware to be maintained over time through patches and/or updates.
N'importe quel cadre d'interface utilisateur ou langage de programmation peut réaliser la même expérience d'interface utilisateur mais ledit langage doit supporter les protocoles de communication et également dessiner des graphiques et générer des images.Any user interface framework or programming language can achieve the same user interface experience but said language must support communication protocols and also draw graphics and generate images.
Comme indiqué précédemment, selon les modes de réalisation de la présente invention, le modulateur d'ondes térahertz basé sur une couche de semi-conducteur III-V dont la permittivité est optiquement modifiée par un processus de photogénération peut maximiser l'efficacité de modulation en utilisant la modulation de la permittivité qui est calculée en résolvant une équation appelée équation du taux ambipolaire pour les porteurs libres. Les moyens pour moduler la permittivité sont typiquement constitués de la seconde unité de rayonnement 3. La résolution d’une telle équation du taux ambipolaire peut par exemple être effectuée via des calculs numériques. De tels calculs permettent ainsi de calculer la modulation de la permittivité induite par l’injection de porteurs photogénérés sur la membrane d'arséniure d'indium 4.As mentioned above, according to the embodiments of the present invention, the terahertz wave modulator based on a III-V semiconductor layer whose permittivity is optically changed by a photogeneration process can maximize the modulation efficiency by using the modulation of permittivity which is calculated by solving an equation called the ambipolar rate equation for free carriers. The means for modulating the permittivity are typically made up of the second radiation unit 3. The resolution of such an equation of the ambipolar rate can for example be carried out via numerical calculations. Such calculations thus make it possible to calculate the modulation of the permittivity induced by the injection of photogenerated carriers on the indium arsenide membrane 4.
Plus précisément, au sein d’une membrane d'arséniure d'indium non dopée (ou bien légèrement dopée n), une pompe infrarouge génère des paires électron-trou dont la densité N est gouvernée par l’équation de transport des charges et qui est contrôlée par le coefficient de diffusion ambipolaire pour le matériau InAs avec les paramètres de longueur de diffusion et le temps de vie de ses photoporteurs. Cette équation est décrite par l’équation (1) suivante :More specifically, within an undoped (or slightly n-doped) indium arsenide membrane, an infrared pump generates electron-hole pairs whose density N is governed by the charge transport equation and which is controlled by the ambipolar diffusion coefficient for the InAs material with the diffusion length parameters and the lifetime of its photocarriers. This equation is described by the following equation (1):
où Gopreprésente la génération optique et τrla durée de vie de recombinaison des photoporteurs, et où on considère une membrane d'arséniure d'indium intrinsèque (ni= n0= p0), et où la mobilité µaet le coefficient de diffusion ambipolaire Dasont donnés par les relations (2) et (3) suivantes :where G op represents the optical generation and τ r the recombination lifetime of the photocarriers, and where an intrinsic indium arsenide membrane is considered (n i = n 0 = p 0 ), and where the mobility µ a and the ambipolar diffusion coefficient D a are given by the following relations (2) and (3):
où D(n,p)représentent, respectivement, les coefficients de diffusion des électrons et des trous liés par la relation d’Einstein. Le coefficient de diffusion ambipolaire dans une membrane d'arséniure d'indium non dopée est Da= 23,5 cm2s-1à une température de 300 K.where D (n,p) represent, respectively, the diffusion coefficients of electrons and holes related by Einstein's relation. The ambipolar diffusion coefficient in an undoped indium arsenide membrane is D a = 23.5 cm 2 s -1 at a temperature of 300 K.
On remarque que l’équation du taux ambipolaire (1) est gouvernée par les porteurs minoritaires. Ceci est du au fait que les photoporteurs créés par le processus de photogénération diffusent ensemble ∆n(x,t) ≈ ∆p(x,t) ce qui correspond à la diffusion ambipolaire. Dans ce contexte, les photoporteurs avec une valeur de mobilité faible (normalement les porteurs minoritaires, plus précisément les trous) provoquent une décélération de la diffusion ambipolaire. La densité de porteurs majoritaires n’est pas affectée par l’irradiation, excepté sous des conditions d’excitation très forte.Note that the ambipolar rate equation (1) is governed by the minority carriers. This is due to the fact that the photocarriers created by the photogeneration process diffuse together ∆n(x,t) ≈ ∆p(x,t) which corresponds to ambipolar diffusion. In this context, photocarriers with a low mobility value (normally minority carriers, more precisely holes) cause a deceleration of ambipolar diffusion. The majority carrier density is not affected by irradiation, except under very strong excitation conditions.
L'intensité de l'onde incidente est fournie au dispositif pour moduler l’amplitude de l’onde THz, et peut être mise en œuvre comme le dispositif de modulation d'onde térahertz hautement fonctionnel en étant couplé avec un plasmon de surface d’un concepteur ou avec un métamatériau pour diminuer l’intensité de l’onde qui permet de changer l’indice de réfraction du modulateur THz et être largement utilisée à des fins optiques.The intensity of the incident wave is supplied to the device to modulate the amplitude of the THz wave, and can be implemented as the highly functional terahertz wave modulation device by being coupled with a surface plasmon of a designer or with a metamaterial to decrease the intensity of the wave which makes it possible to change the refractive index of the THz modulator and be widely used for optical purposes.
Ainsi, la présente invention permet le contrôle efficace et dynamique des ondes THz incidentes sur une large gamme de fréquences dans la gamme térahertz avec une lumière incidente à très faible intensité de pompage.Thus, the present invention allows efficient and dynamic control of incident THz waves over a wide range of frequencies in the terahertz range with very low pump intensity incident light.
En mélangeant dans un seul système la théorie de la physique fondamentale (par exemple, les équations de Maxwell et de transfert) avec les données du système embarqué en temps réel, le dispositif selon l’invention fournit à l'utilisateur un outil unique pour calculer les paramètres optimaux du système. Cela ouvre la porte à des fonctions d'apprentissage automatique à l'avenir.By mixing in a single system the theory of fundamental physics (for example, the Maxwell and transfer equations) with the data of the embedded system in real time, the device according to the invention provides the user with a unique tool for calculating optimal system settings. This opens the door to machine learning functions in the future.
Simuler la structure d'un modulateur térahertz piloté par photo-génération.Simulate the structure of a terahertz modulator driven by photo-generation.
Les paramètres d'entrée fournis par l'utilisateur sont typiquement :The input parameters provided by the user are typically:
-
Fréquence centrale Térahertz
- Onde térahertz continue
- Onde térahertz pulsée
- Une plage de données avec des extrema ainsi que le pas
- continuous terahertz wave
- Pulsed terahertz wave
- A data range with extrema as well as the step
-
Le type de modulation appliquée au laser qui provient par exemple d’une diode laser :
- Continue : pas de modulation
- Continue modulée : une fréquence de modulation entrée par l’utilisateurOnde pulsée : pas de modulation
- Onde pulsée modulée : une fréquence de modulation entrée par l’utilisateur
- Continuous: no modulation
- Continuous modulated: a modulation frequency entered by the user Pulsed wave: no modulation
- Modulated pulse wave: a modulation frequency entered by the user
-
Architecture du matériau semi-conducteur III-V
- chaque combinaison de matériau est sélectionnable sous forme de « classe de modulateur »
- each material combination is selectable as a “modulator class”
- Le développement de la R&D :- The development of R&D:
La méthode est réalisée par des calculs numériques en langage C++ comme cela est décrit ci-après.The method is carried out by numerical calculations in the C++ language as described below.
Dans le code du logiciel, on peut considérer une membrane multicouche structurée, ou une membrane multicouche, ou simplement une membrane simple se tenant dans l'air à température ambiante. La membrane est irradiée par une onde plane qui provient par exemple d’une diode laser à 74° qui correspond à l'angle de Brewster du matériau InAs à une longueur d'onde infrarouge de 808nm ou proche, cela correspond à l'émission d'un laser commercial où la réflexion du laser infrarouge est réduite au minimum. La permittivité de la membrane à base de semi-conducteurs III-V est décrite par un modèle Lorentz-Drude où les paramètres du matériau III-V sont liés à la fréquence infrarouge. Le champ électrique total normalisé est calculé par la méthode de la matrice de diffusion. La pompe IR génère des porteurs photogénérés à l'intérieur de la membrane semi-conductrice III-V dont la densité de porteurs photogénérés est pilotée par l'équation de transport ambipolaire. Les porteurs photogénérés vont diffuser à l'intérieur de la membrane à une distance liée à la longueur de diffusion ambipolaire. La longueur de diffusion ambipolaire sur la membrane dépend de la durée de vie effective de recombinaison des porteurs photogénérés qui prend en compte la recombinaison Auger, la recombinaison radiative et le processus de recombinaison Shockey-Read Hall.In the software code, one can consider a structured multilayer membrane, or a multilayer membrane, or simply a simple membrane standing in air at room temperature. The membrane is irradiated by a plane wave which comes for example from a laser diode at 74° which corresponds to the Brewster angle of the InAs material at an infrared wavelength of 808 nm or close, this corresponds to the emission of 'a commercial laser where the reflection of the infrared laser is reduced to a minimum. The permittivity of the III-V semiconductor-based membrane is described by a Lorentz-Drude model where the III-V material parameters are related to the infrared frequency. The normalized total electric field is calculated by the diffusion matrix method. The IR pump generates photogenerated carriers inside the III-V semiconductor membrane whose density of photogenerated carriers is driven by the ambipolar transport equation. The photogenerated carriers will diffuse inside the membrane at a distance linked to the ambipolar diffusion length. The ambipolar diffusion length on the membrane depends on the effective recombination lifetime of the photogenerated carriers which takes into account Auger recombination, radiative recombination and the Shockey-Read Hall recombination process.
L'équation ambipolaire est hautement non linéaire en raison de la dépendance de la longueur de diffusion ambipolaire de la densité de porteurs photogénérés.The ambipolar equation is highly nonlinear due to the dependence of the ambipolar scattering length on the density of photogenerated carriers.
Pour résoudre cette équation, on utilise les principes de la théorie de la physique fondamentale avec entre autres les équations de Maxwell et de transport de charges. On peut alors calculer la permittivité de la membrane à partir de ses caractéristiques (classe de membrane), de la manière dont elle est irradiée (valeur d'irradiance de la pompe) et de la fréquence centrale à moduler.To solve this equation, we use the principles of the theory of fundamental physics with, among others, the Maxwell and charge transport equations. The permittivity of the membrane can then be calculated from its characteristics (class of membrane), the way in which it is irradiated (irradiance value of the pump) and the central frequency to be modulated.
Une fois la permittivité calculée, il est possible de calculer la transmission, la réflexion et l’absorption d'une onde térahertz traversant la membrane.Once the permittivity has been calculated, it is possible to calculate the transmission, reflection and absorption of a terahertz wave crossing the membrane.
Les paramètres d’entrée fournis par le logiciel sont typiquement :The input parameters provided by the software are typically:
- la fréquence centrale à modulerthe central frequency to be modulated
- une valeur de pompe qui provient par exemple d’une diode lasera pump value that comes for example from a laser diode
- une classe de modulationa modulation class
Les résultats de sortie livrés au logiciel en interne sont typiquement :The output results delivered to the software internally are typically:
- un coefficient de transmissiona transmission coefficient
- un coefficient d’absorptionan absorption coefficient
- un coefficient de réflexiona reflection coefficient
- la permittivité de la membranethe permittivity of the membrane
La résolution de cette équation est utilisée par un algorithme qui permet de calculer les différents coefficients pour différentes valeurs de fréquence centrale et d’irradiance de pompe. Dans cet algorithme, on calcule les différents coefficients de transmission pour une gamme de fréquences et pour une gamme de valeurs de pompe. On obtient ainsi une matrice 2D de transmission. De la même manière on peut calculer les autres résultats de sortie en interne.The resolution of this equation is used by an algorithm which makes it possible to calculate the various coefficients for various values of central frequency and pump irradiance. In this algorithm, the different transmission coefficients are calculated for a range of frequencies and for a range of pump values. A 2D transmission matrix is thus obtained. In the same way, the other output results can be calculated internally.
Les paramètres d’entrée fournis par l’utilisateur sont typiquement :The input parameters provided by the user are typically:
- soit une fréquence spécifique, soit une gamme de fréquenceseither a specific frequency or a range of frequencies
- une gamme de valeurs de pompe spécifiques si les valeurs par défaut ne conviennent pasa range of specific pump values if the default values are not suitable
- une classe de modulation à utilisera modulation class to use
Les résultats de sortie livrés à l’utilisateur sont typiquement :The output results delivered to the user are typically:
- plusieurs types de graphiques disponibles mais qui ne sont pas tous affichés de manière à ne pas surcharger l'interface. On peut par exemple générer un graphique type « heatmap » de la transmission avec pour abscisse une gamme d'ondes électromagnétiques térahertz et pour ordonnée, une gamme d’intensité de laser.several types of graphs available but not all of them are displayed so as not to overload the interface. One can, for example, generate a “heatmap” type graph of the transmission with a range of terahertz electromagnetic waves for the abscissa and a range of laser intensity for the ordinate.
Il est à noter que l’utilisateur peut changer de type de vue et que les résultats stockés en mémoire empêchent d'inutiles et répétitifs calculs.It should be noted that the user can change the type of view and that the results stored in memory prevent unnecessary and repetitive calculations.
Cette section Multiphysique du logiciel pourrait adopter de nouvelles fonctionnalités et analyses telles que les effets plasmoniques, l'irradiation de nouvelles sources infrarouges aux ondes térahertz parmi beaucoup d'autres dans l'industrie térahertz et photonique.This Multiphysics section of the software could adopt new features and analyzes such as plasmonic effects, irradiation of new infrared sources at terahertz waves among many others in the terahertz and photonics industry.
Ce logiciel peut être couplé à une section système embarqué afin d'introduire les commandes dans un matériel compact et ergonomique.This software can be coupled with an embedded system section in order to introduce the commands in a compact and ergonomic hardware.
A partir de la résolution de l’équation ambipolaire, il est également possible de créer un algorithme chargé de créer la table de correspondance du logiciel ou LUT (pour « Look-Up Table » en anglais). On calcule d’abord la matrice 2D de transmission en réutilisant l’algorithme précédemment décrit. Une fois obtenue, on calcule, pour chaque fréquence centrale, quelle valeur de pompe maximise la transmission de l'onde térahertz. Ce couple fréquence-pompe (qui provient par exemple d’une diode laser) est calculé pour chaque fréquence et sauvegardé dans la table de correspondance. Une fois cette table de correspondance calculée, elle est transmise au micrologiciel afin que celui-ci puisse appliquer la meilleure irradiance de pompe pour une fréquence donnée.From the resolution of the ambipolar equation, it is also possible to create an algorithm responsible for creating the look-up table of the software or LUT (for “Look-Up Table” in English). We first calculate the 2D transmission matrix by reusing the previously described algorithm. Once obtained, one calculates, for each central frequency, which pump value maximizes the transmission of the terahertz wave. This frequency-pump couple (which comes for example from a laser diode) is calculated for each frequency and saved in the correspondence table. Once this correspondence table has been calculated, it is transmitted to the firmware so that it can apply the best pump irradiance for a given frequency.
Cette section du système embarqué est chargée de l'intelligence du produit en envoyant des commandes par communication série du logiciel au matériel. Cette section synchronise la multiphysique, l'électronique et l'optique afin d'obtenir une solution industrielle innovante pour contrôler dynamiquement les ondes térahertz à grande vitesse, avec une accordabilité à large bande et une modulation en profondeur. La synchronisation et aussi l'interprétation des commandes est le noyau fondamental de l’invention.This section of the embedded system is responsible for the intelligence of the product by sending commands through serial communication from the software to the hardware. This section synchronizes multiphysics, electronics and optics in order to obtain an innovative industrial solution to dynamically control high-speed terahertz waves, with broadband tunability and deep modulation. The synchronization and also the interpretation of the commands is the fundamental core of the invention.
- Les paramètres d'entrée sont :- The input parameters are:
-
contrôle du laser qui provient par exemple d’une diode laser
- On/Off
- Fréquence de modulation
- On/Off
- Modulation frequency
-
Type de membrane
- le type de « classe de modulateur »
- the type of "modulator class"
-
Fréquence térahertz centrale
- spécifier la fréquence à moduler
- specify the frequency to be modulated
- Le développement R&D :- R&D development:
Le système embarqué est réalisé en langage C++ et les principales commandes à exécuter par le matériel sont décrites ci-après :The embedded system is produced in C++ language and the main commands to be executed by the hardware are described below:
Le système embarqué envoie des commandes via une communication série au matériel qui interprète les commandes. Fondamentalement, les commandes sont différentes opérations de mode laser telles que :The embedded system sends commands via serial communication to the hardware which interprets the commands. Basically the commands are different laser mode operations such as:
Mode 1 :Mode 1:
▪ Réglage de la variation d'intensité du laser IR de 0 à 10W/cm^2▪ Adjustment of the intensity variation of the IR laser from 0 to 10W/cm^2
Mode 2 :Mode 2:
▪ Réglage de la fréquence de modulation TTL jusqu'à des valeurs de fréquences de l’ordre du térahertz▪ Adjustment of the TTL modulation frequency up to frequency values of the order of terahertz
Mode 3 :Mode 3:
▪ Réglage de la largeur d'impulsion du laser qui provient par exemple d’une diode laser▪ Adjustment of the pulse width of the laser which comes for example from a laser diode
Mode 4 :Mode 4:
▪ Réglage du délai du laser qui provient par exemple d’une diode laser▪ Adjustment of the laser delay which comes for example from a laser diode
- Les résultats des sorties livrés à l'utilisateur :- Output results delivered to the user:
L’utilisateur obtient un accusé de réception pour chaque commande envoyée telle qu’une zone avec l’historique des commandes, réponses et messages de diagnostic. Un message d’erreur est affiché en cas d’échec lors de l’envoi de commandes. Un message d’erreur est aussi affiché si le micrologiciel rencontre une erreur inattendue.The user gets an acknowledgment for each command sent such as an area with the history of commands, responses and diagnostic messages. An error message is displayed if there is a failure when sending commands. An error message is also displayed if the firmware encounters an unexpected error.
La plate-forme embarquée fonctionne en utilisant les mêmes paramètres d'entrée que ceux ajoutés dans la section du logiciel. La synchronisation des sections Multiphysique et Système embarqué du logiciel donne à l'utilisateur un contrôle complet en testant en temps réel dans le matériel qui rend les ondes et la technologie térahertz très conviviales. Par exemple, cette invention rend possible la modélisation des membranes III-V, la simulation et le calcul numériques pour améliorer la connaissance des ondes térahertz et la comparaison entre le calcul numérique et les données expérimentales en temps réel des ondes électromagnétiques térahertz.The embedded platform works using the same input parameters added in the software section. The synchronization of the Multiphysics and Embedded System sections of the software gives the user complete control by testing in real time in hardware which makes terahertz waves and technology very user-friendly. For example, this invention makes possible the modeling of III-V membranes, numerical simulation and calculation to improve the knowledge of terahertz waves and the comparison between numerical calculation and real-time experimental data of terahertz electromagnetic waves.
Ainsi, cette invention basée sur un nouveau logiciel et un matériel offre une solution en matière de sources et de systèmes de détection térahertz :Thus, this invention based on new software and hardware provides a solution for terahertz sources and detection systems:
- Détecteurs térahertz :- Terahertz detectors:
Améliore le rapport signal/bruit de la détection hétérodyne synchrone.Improves the signal-to-noise ratio of synchronous heterodyne detection.
- Sources térahertz :- Terahertz sources:
Modulent les ondes térahertz sans impacter le générateur.Modulate terahertz waves without impacting the generator.
La technologie logicielle et matérielle unique est prête pour une modulation de fréquence térahertz personnalisée. Fournissant une modulation à grande vitesse dans la gamme des MHz et une accordabilité à large bande térahertz jusqu'à 2THz, les deux avec une modulation de profondeur.The unique software and hardware technology is ready for custom terahertz frequency modulation. Providing high-speed modulation in the MHz range and terahertz broadband tunability down to 2THz, both with depth modulation.
Le système proposé dans cette invention est capable d'unifier Multiphysique, Système Embarqué et Matériel pour un produit révolutionnaire qui est compact, ergonomique et de haute performance pour manipuler n'importe quel type de radiation térahertz. Aujourd’hui l’étude des ondes térahertz reste marginale et peu développée et nécessite des connaissances à la fois en programmation mais aussi dans le domaine des térahertz. Le système sera en mesure d'étendre la technologie térahertz à un public plus large en modélisant des résultats complexes sous forme de graphiques accessible et compréhensibles.The system proposed in this invention is able to unify Multiphysics, Embedded System and Hardware for a revolutionary product that is compact, ergonomic and high performance to handle any type of terahertz radiation. Today the study of terahertz waves remains marginal and underdeveloped and requires knowledge both in programming but also in the field of terahertz. The system will be able to extend terahertz technology to a wider audience by modeling complex results into accessible and understandable graphs.
On observe qu’il existe aujourd'hui sur le marché des logiciels multiphysiques tels que COMSOL ou CST studio. Cependant, ils ne disposent pas des deux fonctionnalités pour simuler et contrôler le système embarqué pour envoyer des commandes du logiciel à l'outil matériel afin de contrôler un modulateur térahertz.It is observed that today there are multiphysics software on the market such as COMSOL or CST studio. However, they lack the two features to simulate and control the embedded system to send commands from the software to the hardware tool to control a terahertz modulator.
Enfin, il est bien évident que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.Finally, it is quite obvious that the examples which have just been given are only particular illustrations in no way limiting as to the fields of application of the invention.
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