Highf requency optoelectronic devices in the mid infrared wavelength region.

Dispositifs optoélectroniques à hautes fréquences dans la région du moyen infrarouge La région moyen-infrarouge se situe entre les domaines de l’optique et du THz du spectre électromagnétique. Cette région a un intérêt particulier dans les applications spectroscopiques et la communication dans l’espace libre.Grâce à des avancées technologiques sur la fabrication de dispositifs unipolaires basés sur des transitions inter-sous-bandes, la région du moyen-infrarouge est devenue accessible par une nouvelle famille de lasers et détecteurs à base de semi-conducteurs. Ces dispositifs optoélectroniques sont basés sur des transitions optiques entre les états électroniques de la bande de conduction d’une structure composée d’une succession de puits quantiques. Leur temps de vie caractéristique est de l’ordre du picosecondes et ainsi, les dispositifs inter-sous-bandes disposent de propriétés de dynamique ultra rapides intéressantes dans le développement des applications à hautes fréquences.L’objectif de cette thèse est le dessin d’un système prêt à l’emploi pour la communication dans l’espace libre à fort taux de transfert de bit dans le moyen-infrarouge, avec tous les composants qui fonctionnent à température ambiante. Dans ce but, nous avons étudié les performances hautes fréquences d’un système composé de détecteurs et de lasers à cascade quantiques.Dans un premier temps, nous avons caractérisé les propriétés électriques et optiques d’un détecteur à cascade quantique à 4.9 μm à température ambiante. La structure de bande ainsi que la distribution des charges a été étudié en détails dans différentes conditions de température et de tensions appliquées aux bornes du détecteur. Nous avons montré une température limite de détection de 135 K avec une detectivité à cette température de 2 × 1011 Jones, nous situant dans l’état de l’art. Par la suite, nous nous sommes concentrés sur la réponse en modulation à haute fréquence du détecteur à cascade quantique. Nous avons, en premier lieu, optimisé le système électronique afin qu’il soit compatible avec des mesures hautes fréquences. Avec ce système, nous avons mesuré une détection optique jusqu’à 5.4GHz en utilisant un détecteur à cascade quantique de taille 50 × 50 (μm)2 avec son pont suspendu en or adapté en impédance avec tout le reste du montage expérimental. Grâce à des mesures de rectification, nous avons montré que la fréquence de coupure est limitée par la structure de bande du détecteur en soit. Nous avons ensuite développé un système prêt à l’emploi pour les modulations hautes fréquences du laser à cascade quantique, ce dernier étant optimisé grâce une étude sur son contact d’injection. Nous montrons ainsi une fréquence de coupure optique de 10 GHz, limitée par le photo-détecteur. Enfin, comme preuve de concept, nous avons réalisé une communication dans l’espace libre de 4 Gb/s à l’échelle du laboratoire en utilisant un laser à cascade quantique et un photo-détecteur infrarouge à puits quantiques. Pour cela, nous avons utilisé une modulation par changement de phase binaire et nous avons obtenu un taux d’erreur de 10(−5).