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Thèse Année : 2019

Photo-generated Metasurfaces at Terahertz Frequencies

Métasurfaces photo-générées à fréquence térahertz

Résumé

Terahertz (THz) electromagnetic waves of frequencies lying from 0.3 to 10 THz attract much interest owing to their potential applications in several domains ranging from medicine and telecommunication to security. Recent developments of bright THz sources and efficient sensors accelerate the progress for non-destructive THz systems. However, the demand of versatile THz components able to address a wide range of frequencies is high. Among the envisaged approaches, artificial structures named metasurfaces have shown the ability to control THz waves. Dynamical control has been demonstrated in particular with photo-generated metasurfaces. Here, the metasurfaces are optically printed into a semiconductor layer. However, several issues must be bypassed in terms of modulation rate or pump threshold before this approach might be implemented in the application domain. In this framework, the Institute Pascal lead theoretical researches on the electromagnetic properties of photo-generated metasurfaces. This work has been led in collaboration with the Institute d’Électronique et des Système (IES) of Montpellier. In this work, we have theoretically and experimentally studied the THz electromagnetic properties of an undoped indium arsenide slab (InAs) whose permittivity is optically modified by a photo-generation process. The modulation of the permittivity has been calculated by solving the ambipolar rate equation of the free carriers. This work has revealed the crucial impact of the photocarrier diffusion to realize optimal metasurfaces for the control of THz radiation. Experiment results have demonstrated that InAs is a promising semiconductor to manufacture THz components fast and efficiently. We have shown a high modulation of the THz transmission from 0.75 to 3THz at a very low pump irradiances in the continuous-wave regime. We have also demonstrated a high-speed transmission modulation rate up to the MHz range with a modulated pump.
Le domaine térahertz (THz) du spectre électromagnétique suscite un intérêt majeur au niveau scientifique et industriel puisqu’il concerne de nombreux domaines allant des télécommunications à la santé en passant par la sécurité. Ces dernières années, d’importants progrès ont été réalisés dans la conception de sources THz. Toutefois, la demande en composants optiques capables d’adresser une large gamme spectrale (0.5-3THz) avec des réponses optiques rapides et contrastées demeure importante. Parmi les solutions envisagées, des structures artificielles appelées métasurfaces ont permis de contrôler les signaux THz. Un contrôle dynamique en temps réel a en particulier été démontré avec des métasurfaces photogénérées dans une couche de semiconducteur. Toutefois, de nombreuses limites restent encore à lever en termes d’augmentation de la fréquence de modulation ou de la diminution de l’énergie de pompe laser nécessaire à la photo-génération. C’est dans ce contexte que l’axe Photon de l’Institut Pascal a mené des recherches théoriques sur les métasurfaces photo-générées pour le contrôle des ondes THz. Ces travaux ont été menés en collaboration avec l’Institut d’Électronique et des Système (IES) de Montpellier. Dans ce travail, nous avons étudié théoriquement et expérimentalement les propriétés électromagnétiques THz d'une couche d'arséniure d'indium (InAs) non dopées dont la permittivité est optiquement modifiée par un processus de photo-génération. La modulation de la permittivité est calculée en résolvant l'équation ambipolaire pour les porteurs libres. Ces travaux révélé l'impact crucial de la diffusion des photoporteurs pour la réalisation de métasurfaces optimales pour le contrôle des ondes THz. Les résultats de l'expérience ont démontré que l'InAs est un semiconducteur prometteur pour fabriquer des composants THz rapides et efficaces. Nous avons pu mettre en évidence une modulation élevée de la transmission THz de 0.75 à 3 THz à une irradiance de pompe très faible dans le régime continue. Nous avons également démontré un taux de modulation de la transmission THz à grande vitesse jusqu'à MHz avec une pompe modulée.
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tel-02481483 , version 1 (17-02-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02481483 , version 1

Citer

Eduardo Antonio Alvear Cabezon. Photo-generated Metasurfaces at Terahertz Frequencies. Electronics. Université Clermont Auvergne [2017-2020], 2019. English. ⟨NNT : 2019CLFAC040⟩. ⟨tel-02481483⟩
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