Unipolar quantum devices for high-speed mid-IR optoelectronics on InP

Dispositifs quantiques unipolaires pour l'optoélectronique moyen-infrarouge haute fréquence sur InP Des systèmes optoélectroniques ultra-sensibles et ultrarapides dans l'infrarouge moyen sont nécessaires pour les communications en espace libre, la télédétection par laser (LIDAR), la spectroscopie à haute résolution et l'astronomie d'observation. Les transitions intrabandes dans les puits quantiques des matériaux III-V offrent une plateforme complète pour la conception et la fabrication de dispositifs optoélectroniques dans cette gamme d'énergie. Ce travail se concentre sur l'étude, la conception et la démonstration expérimentale d'un modulateur d'amplitude ainsi que d'un détecteur à 9 µm, fonctionnant à haute fréquences et à température ambiante, sur InP. Le modulateur externe est un élément crucial et manquant pour la réalisation de plateformes optoélectroniques complètes dans l'infrarouge moyen. Ce modulateur tire profit de l'effet Stark, où un champ électrique externe est utilisé pour déplacer l'énergie d'absorption de la transition optique. Afin de tirer parti du très court temps de relaxation des transitions optiques intrabandes, un soin particulier a été apporté à la fabrication d'un dispositif compatible avec les radiofréquences, capable de fonctionner jusqu'à plusieurs GHz. Le dispositif résultant a permis la réalisation expérimentale d'une ligne de transmission de données optique en espace libre à température ambiante, avec un débit de 10 Gbit/s. La limite de la bande passante du dispositif est essentiellement fixée par sa taille. Afin de proposer une seconde génération de modulateurs plus performants, la géométrie du résonateur patch est étudiée, afin de fournir un environnement électromagnétique plus avantageux et améliorer l'interaction lumière-matière tout en réduisant la taille des nouveaux modulateurs en métamatériaux. Une attention particulière a été accordée aux défis de nanofabrication soulevés par les le choix de matériaux ainsi que les faibles tailles en jeu. Les progrès réalisés dans la compréhension et la modélisation de ces métamatériaux ont également été mis à profit pour dimensionner des photo-détecteurs infrarouges quantiques efficaces et rapides. En combinant des détecteurs et modulateurs en métamatériaux, une seconde une ligne de transmission optique en espace libre est démontrée, cette fois avec un débit record de 60 Gbit/s.