Uncooled unipolar receivers for 9 μm wavelength heterodyne detection
Récepteurs unipolaires non-refroidis pour la détection hétérodyne dans la deuxième fenêtre de transparence atmosphérique
Résumé
The work of my PhD thesis focuses on the conception and realization of a sensitive detection set-up at 9 μm wavelength, where all components are uncooled semiconductor devices. The project is realized by exploiting two major advances: a metamaterial-enhanced detector and a heterodyne scheme with quantum cascade lasers. The investigated detectors are quantum cascade (QCD) and quantum well detectors (QWIP), unipolar devices where the optical transition takes place between confined electronic states in the conduction band. They are attractive for heterodyne detection as their carrier lifetime is extremely short and therefore, they have a fast and highly linear response under strong illumination. In this work, I describe the microscopic physics necessary to understand the device response to light solicitation,with an insight on the phenomena related to quantum electronic transport. I reportthe performances evaluation of a 9 μm QCD processed into an antenna-based metamaterial. The antenna increases the photon flux that impinges on the detector. This allows a reduction of the detector electrical area and consequently of the dark current, enabling much better performances at high-temperature. The detector sensitivity and bandwidth has been tested with a heterodyne system fully optimized using passive stabilization of the lasers and an accurate conception of the infrared optics. Finally, I demonstrate that the injection of microwave signal into the receivers shifts the heterodyne beating over the large bandwidth of the devices.
Mon travail de thèse de doctorat porte sur la conception et la réalisation d’un système de détection sensible à 9 μm de longueur d’onde, dans lequel tous les composants sont des dispositifs semi-conducteurs non refroidis. Cet objectif est atteint en exploitant deux avancées majeures : un détecteur amélioré par métamatériau et un schéma hétérodyne avec des lasers à cascade quantique. Les détecteurs étudiés sont des détecteurs à cascade quantique (QCD) et à puits quantiques (QWIP), dispositifs unipolaires où la transition optique a lieu entre des états électroniques confinés dans la bande de conduction. Ils sont intéressants pour la détection hétérodyne car leur temps de relaxation est extrêmement court et, par conséquent, ils ont une réponse rapide et hautement linéaire même sous un éclairage intense. Dans ce travail, je décris la physique microscopique nécessaire pour comprendre la réponse du dispositif à l’excitation lumineuse, avec un aperçu des phénomènes liés au transport électronique quantique. Je rapporte l’évaluation des performances d’un QCD à 9 μm inséré dans un métamatériau de type antenne. L’antenne augmente le flux de photons incident sur le détecteur. Ceci permet de réduire l’aire électrique du détecteur et donc le courant d’obscurité, qui améliore très significativement les performances à haute température. La sensibilité et la bande passante du détecteur ont été testées dans un système hétérodyne entièrement optimisé utilisant une stabilisation passive des lasers et une conception précise de l’optique infrarouge. Enfin, je démontre que l’injection de signal hyperfréquence dans les récepteurs décale le battement hétérodyne sur toute la large bande passante des détecteurs.
Origine : Version validée par le jury (STAR)