Situé entre la lumière visible et les micro-ondes, le domaine de fréquence tèrahertz (THz) est une zone du spectre électromagnétique encore peu exploitée. Il existe pourtant de nombreuses applications: détection de polluants, contrôle de qualité, imagerie médicale, télécommunications à très haut débit ... Cependant, à ce jour, il n'existe pas de sources accordables, compactes, efficaces, fonctionnant à tempèrature ambiante et de faible coût. L'opto-électronique répond en partie à ces besoins grâce aux photodétecteurs sensibles à une longueur d'onde de 800 nm. L'utilisation d'une longueur d'onde de 1550 nm permettrait de bénéficier de la disponibilité de sources optiques relativement peu onéreuses et compactes et d'un système fibré. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à un photodétecteur prometteur avec une fréquence de coupure potentiellement élevée et de bonnes caractéristiques en régime de saturation: la photodiode à transport unipolaire (UTC-PD). La prenùère partie de ce travail de thèse a consisté à développer un procédé de réalisation technologique d'UTC-PDs intégrées de façon monolithique à des guides d'ondes coplanaires pour la génération d'impulsions picosecondes. Ces dispositifs ont été caractérisés par échantillonnage électro-optique et ont généré des impulsions électriques de quelques picosecondes de largeur à mi-hauteur. Dans un second temps, l'intégration monolithique d'UTC-PD avec une nouvelle antenne THz large bande a permis la génération d'ondes THz monochromatiques (1,1 µW à 940 GHz) par mélange hétérodyne de deux sources lasers continues de longueur d'onde autour de 1550 nm. Des mesures de spectroscopie de gaz à 1,4 THz ont aussi été réalisées. / Lying between visible ligbt and microwaves range, the terahertz frequency domain is still remaining unexploited. Many potential applications exist yet such as: pollutants sensing, quality control, medical imaging, high speed telecommunications, ... However, to date there have been no easy frequency tuning, compact, efficient, low-cost and room temperature working sources. Optoelectronics could satisfy these requirements thanks to LTG-GaAs photodetectors sensitive to a wavelength of 800 nm. But a 1550 nm based photodetector would permit the use of the abundants and cheaper optical components that exist at this wavelength. ln this situation, we focus our attention on a promising 1550 nm-photodetector with both a potentially high cutoff frequency and good saturation behaviour : the uni-travelling-carrier photodiode (UTC-PD) The first part of this work consists in developing a technological process for UTC-PD's monolithically integrated with coplanar waveguides in order to generate picosecond pulses. These devices have been characterized by electro-optic sampling and pulses with full width at half maximum of few picoseconds have been achieved Then, we describe the technological process of the monolithic integration of a UTC- PD with a new broadband THz antenna This device allows the generation of continuous THz-waves by optical beating of two lasers. A power of 1.1 µW at 940 GHz was demonstrated and spectroscopic measurements of gas absorption lines at 1.4 THz was also done.

Le domaine de fréquences térahertz fait la liaison entre le monde des transistors et des lasers. Malgré les nombreuses applications possibles, il n’existe pas, à l’heure actuelle, de source térahertz compacte fonctionnant à température ambiante. De même, pour la détection d’impulsions térahertz, il n’existe pas vraiment de systèmes satisfaisants pour des applications en télécommunication. Nous avons étudié et caractérisé la croissance du GaAsSb épitaxié à basse température (GaAsSb- BT) afin d’obtenir un matériau résistif à temps de vie court pour l’élaboration de photocommutateurs. À partir de ce matériau, des antennes photocondutrices pour la génération d’impulsions térahertz ont été réalisées. Les premiers résultats obtenus sont encourageants bien que légèrement moins performants que le GaAs-BT et pourraient être améliorés en optimisant la croissance du GaAsSb-BT. En complément, nous avons réalisé des photodiodes à transport unipolaire (UTC-PD) en GaAsSb dont la réponse est similaire à celle des UTC-PD en InGaAs. L’intégration monolithique d’une UTC-PD en GaAsSb avec une antenne térahertz large bande a permis la génération d’une onde térahertz d’environ 300GHz, démontrant ainsi la faisabilité d’un tel dispositif pour la génération d’ondes térahertz. Pour la détection d’impulsions térahertz, nous avons conçu et simulé un monostable à base de diode à effet tunnel résonnant. Ce circuit est composé d’éléments passifs comme l’inductance pour fixer la durée de l’impulsion en sortie du monostable. La fréquence de résonance de cette inductance semble être la principale limitation pour la détection d’impulsions térahertz. / The terahertz frequency range makes the connection between the world of transistors and lasers. Despite the many potential applications, today there is not compact terahertz source operating at room temperature. Similarly, for detection of terahertz pulses, there is not really satisfying systems for telecommunication applications. We studied and characterized low temperature growth GaAsSb (LT-GaAsSb) to obtain a resistive material with short life time for the development of photoswitches. From this material, photoconductive antennas were made for the generation of terahertz pulses. The first results are encouraging although less efficient than the LT-GaAs and could be improved by optimizing the growth of LT-GaAsSb. In addition, we made uni-travelling carrier photodiodes (UTC-PD) in GaAsSb whose response is similar to the UTC-PD in InGaAs. The monolithic integration of UTC-PD in GaAsSb with a broadband terahertz antenna enabled the generation of terahertz waves around 300GHz, thus demonstrating the feasibility of such a device for generating terahertz waves. For detection of terahertz pulses, we have designed and simulated a monostable based on resonant tunneling diode. This circuit is composed of passive elements such as an inductor to determine the width of the output pulse of the monostable. The resonant frequency of the inductor appears to be the main limitation for the detection of terahertz pulses.

Les photodétecteurs rapides sont des composants optoélectroniques qui permettent de générer et de détecter des ondes de fréquences sub-THz et THz. Cette thèse présente la conception, la fabrication et la caractérisation de photodétecteurs rapides à semiconducteurs III-V. L’objectif est de proposer des systèmes fonctionnant à la longueur d’onde de 1550 nm, et donc compatibles avec les technologies des télécommunications. Nous étudions en détail des photoconducteurs en AsGa-BT pour le sous-échantillonnage, des photodétecteurs de type MSM-InAlAs/InGaAs pour le sous-échantillonnage et le photomélange et des photodiodes UTC en InGaAs/InP pour le photomélange. / Fast photodetectors are optoelectronic devices wich allow to generate and to detect electromagnetic waves at sub-THz and THz frequencies. This thesis presents the design, the fabrication and the characterization of fast photodetectors made using III-V semiconductors. The objective is to develop systems working at a wavelength of 1550nm, compatibleswith the telecommunication technologies. We will study in detail LT-GaAs photoconductors for sub-sampling, InAlAs/InGaAs-MSM photodetectors for sub-sampling and photomixing and InGaAs/InP UTC-photodiodes for photomixing.

Les communications aux fréquences terahertz sont étudiées dans un contexte de transmissions en espace libre. L’objectif de la thèse est de proposer une étude comparative de différentes topologies d’électrodes supérieures appliquées aux photodiodes UTC ainsi qu’un module d’intégration de ces composants. Ces composants permettent de réaliser des liens de communications sans fils aux fréquences terahertz. Une étude bibliographique évalue les domaines d’applications de ces fréquences, dont le nombre est croissant cette dernière décennie. Les sources terahertz existantes sont ensuite étudiées en fonction des performances et de leur domaine spectrale d’émission. Les photoréponses et puissances émises pour différentes structures de photodiodes PIN, UTC et TTR utilisées en photomélangeur sont comparées au-delà de 60 GHz. Les modules d’intégrations développées et les différentes méthodes d’intégrations sont détaillés dans la dernière partie du premier chapitre. Le second chapitre présente une étude théorique, numérique et expérimentale des photodiodes UTC réalisées. L’utilisation d’une électrode supérieure dédiée et l’étude de différents motifs est développée afin de limiter la dépendance à la polarisation optique de la structure, afin d’en augmenter la fiabilité dans un contexte de transmission de données vidéos aux fréquences terahertz. Un module d’intégration dédiée, en guide WR-3, pour ces photodiodes, est étudié numériquement sous le logiciel CST ainsi que les lignes de transmissions au récepteur. Enfin, les liens terahertz réalisés et les performances correspondantes sont résumées dans le dernier chapitre. / The terahertz frequency communications are studied in a context of free space transmissions. The objective of this thesis is to propose a comparative study of different topologies of top electrode applied to UTC photodiode and a module for packaging this type of components. Those components permit to produce wireless communications links at terahertz frequencies. A bibliographic study evaluates the areas of applications for this frequency band. Then, current terahertz sources are studied according to the performances and their spectral emission domain. The photoresponses and the power emitted for different structures of PIN, UTC, and TTR photodiodes used like photomixer are compared beyond 60 GHz. The packaging and the different modules of integration are detailed in the last part of this first chapter. The second chapter presents a theoretical, numerical and experimental study of UTC photodiodes. The use of a dedicated top contact and the study of different patterns are developed in order to limit the optical polarization dependence of this structure, in order to increase the reliability in a context of data video transmission at terahertz frequencies. A dedicated WR-3 packaging module for these photodiodes is studied numerically under CST software and lines of transmission are studied in receiver. Finally, the terahertz links and the corresponding performances are summarized in the last chapter.

Situé entre la lumière visible et les micro-ondes, le domaine de fréquence térahertz (THz) est une zone du spectre électromagnétique encore peu exploitée. Il existe pourtant de nombreuses applications : détection de polluants, contrôle de qualité, imagerie médicale, télécommunications à très haut débit... Cependant, à ce jour, il n'existe pas de sources accordables, compactes, efficaces, fonctionnant à température ambiante et de faible coût. L'opto-électronique répond en partie à ces besoins grâce aux photodétecteurs sensibles à une longueur d'onde de 800 nm. L'utilisation d'une longueur d'onde de 1550 nm permettrait de bénéficier de la disponibilité de sources optiques relativement peu onéreuses et compactes et d'un système fibré.<br />Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à un photodétecteur prometteur avec une fréquence de coupure potentiellement élevée et de bonnes caractéristiques en régime de saturation : la photodiode à transport unipolaire (UTC-PD).<br />La première partie de ce travail a consisté à développer un procédé de réalisation technologique d'UTC-PDs intégrées de façon monolithique à des guides d'ondes coplanaires pour la génération d'impulsions picosecondes. Ces dispositifs ont été caractérisés par échantillonnage électro-optique et ont généré des impulsions électriques de quelques picosecondes de largeur à mi-hauteur.<br />Dans un second temps, l'intégration monolithique d'UTC-PD avec une nouvelle antenne THz large bande a permis la génération d'ondes THz monochromatiques (1,1 µW à 940 GHz) par mélange hétérodyne de deux sources lasers continues de longueur d'onde autour de 1550 nm. Des mesures de spectroscopie de gaz à 1,4 THz ont aussi été réalisées.

L'objectif de ce travail fut de modéliser et caractériser un composant à semiconducteur capable de générer des impulsions électriques subpicosecondes par photocommutation. Ce composant est réalisé avec un peigne interdigité situé au milieu du ruban central d'un guide coplanaire en or déposé sur du GaAs basse température dopé au béryllium. En éclairant avec un laser femtoseconde ce détecteur polarisé, il est possible de générer des impulsions électriques dont la durée est approximativement celle du temps des vie des électrons. Une étude comparative de plusieurs méthodes de caractérisation (échantillonnages photoconductif, électro-optique, électroabsorption) fut réalisée et met en évidence avantages et inconvénients de chaque technique. Les différentes mesures montrent l'influence du matériau et du circuit hyperfréquence sur la réponse du dispositif. On observe en particulier l'augmentation du temps de vie des électrons due à la saturation du niveau de piège. De même, on observe l'influence de la valeur de la capacité du détecteur sur la durée de la réponse et la limitation de l'amplitude des impulsions due à l'impédance des lignes. Un modèle simple, basé sur un circuit électrique équivalent, prenant en compte les aspects matériau et hyperfréquence, permet de bien décrire ces phénomènes. De plus, ce modèle illustre en détail la dynamique des différents paramètres physiques et électriques lors de l'éclairement du détecteur par deux impulsions optiques consécutives. Cette mesure pompe-sonde photoconductive montre le temps de relaxation du photocommutateur et la saturation des pièges. Enfin, le modèle permet de calculer la bande passante du dispositif en photomélange.

Ce travail de thèse a porté sur la génération aux fréquences THz par la technique dite de photomélange. La première partie de cette étude a été consacrée aux éléments essentiels d'un tel dispositif utilisé au THz : le GaAs épitaxié à basse température (GaAs BT), un photodétecteur à électrodes interdigitées, et une antenne planaire. Cette étude a permis d'obtenir une source largement accordable entre 100 GHz et 4 THz, adaptée aux études spectroscopiques. Dans un second temps, l'effort d'optimisation s'est porté sur le photodétecteur avec deux topologies envisagées, verticale et distribuée. La topologie verticale a en effet permis de s'affranchir d'effets bidimensionnels, néfastes pour les performances et la robustesse du photodétecteur. La fabrication du photodétecteur vertical a nécessité la mise au point d'un procédé de report de couches épitaxiales en cours de procédé technologique s'appuyant sur les techniques de report élaborées au sein du laboratoire. La comparaison expérimentale a montré une amélioration d'un facteur 2 à 3 en réponse statique, et d'un facteur 7 en photomélange. La seconde voie, à savoir l'utilisation d'un photodétecteur, passe par l'étude préalable des lignes de propagation aux fréquences THz. Nous avons tout d'abord mis en évidence les effets induits par la montée en fréquence, et plus particulièrement l'effet des conditions aux limites, qu'elles soient diélectriques ou métalliques. Puis en utilisant ces conditions aux limites, nous avons imaginé des lignes de propagation fonctionnant au THz et utilisables en photomélange. Toutefois la voie la plus prometteuse à cours terme est certainement la transposition aux longueurs d'onde 1.3 Μm-1.5 Μm. Dans cette optique, deux solutions sont envisagées, la première s'appuie sur l'épitaxie de couche d'InGaAs à basse température, tandis que la seconde utilise l'absorption anormale du GaAs BT à ces longueurs d'ondes et la cavité intrinsèque au photodétecteur vertical.

Le but de cette thèse est la synthèse optique d'ondes millimétriques et submillimétriques avec un très bas bruit de phase. La première partie concerne la réalisation d'un laser biaxe bifréquence dont chacune des deux fréquences est accordable indépendamment et continûment sur 1 THz. Ce laser est caractérisé en bruit d'amplitude et de phase. Nous avons mis en évidence un facteur de couplage entre les fluctuations de puissance de la diode de pompe et le bruit de phase du laser. La deuxième partie concerne le développement d'un système amplificateur qui se compose d'un amplificateur EDFA et d'un SOA par polarisation. Ce système amplificateur permet d'obtenir une puissance de l'ordre de 17 dBm, tout en réduisant le bruit relatif d'intensité (RIN) d'une vingtaine de dB sur 1 GHz. Cet amplificateur est également un actionneur pour la stabilisation de puissance permettant un RIN de l'ordre de -150 dB/Hz de 3 Hz à 5 kHz. La dernière partie concerne la mise en place du banc cavité et de l'asservissement des fréquences du laser sur une cavité ultra-stable. Nous obtenons un bruit de phase, à 10 kHz pour une porteuse à 10 GHz, meilleur que le plancher de bruit d'un analyseur de bruit de phase hautes performances de l'ordre de -115 dBc/ Hz. Le bruit de phase du système est indépendant de la fréquence de battement. / The aim of this thesis is the optical synthesis of millimeter and submillimeter waves with a very low phase noise. The first part concerns the development of a dual-axis dual frequency laser, whose the two frequencies are tuneable independently and continuously on 1 THz. This laser is characterized in amplitude noise and phase noise. We have identified a coupling factor between the diode pump and the power fluctuations of the laser phase noise. In the second part, we report the development of an amplifier system which consists of an EDFA and a SOA per polarisation axis. This amplifier system delivers 17 dBm of power and reduces the relative intensity noise (RIN) by 20 dB on a 1 GHz bandwidth. This amplifier is also an actuator for the power stabilization to a RIN of the order of -150 dB/Hz from 3 Hz to 5 kHz. The last part concerns the setup of the cavity bench and the stabilization of the laser frequency on a ultrastable cavity. We obtain a phase noise at 10 kHz of frequency offset on a 10 GHz carrier better than the noise floor of a phase noise analyser with high performance of the order of -115 dBc/Hz. The system phase noise is independent of the beatnote frequency.

La génération d'onde THz de grande pureté spectrale par photomélange est une technique très prometteuse afin de réaliser des oscillateurs locaux THz performants. Nous avons donc proposé une approche originale consistant à associer un laser bi-fréquence émettant autour de 1 µm à un photomélangeur de bande interdite compatible. Le choix de cette longueur d'onde permet la réalisation de lasers pompés diodes compacts et peu onéreux ainsi que l'utilisation de photoconducteurs présentant les propriétés électriques requises. <br />Ainsi, nous avons développé 2 lasers bi-fréquence amplifiés utilisant des milieux actifs (KGW et CaF2) dopés Yb dont l'utilisation permet de générer des puissances optiques supérieurs à 1 W ainsi qu'un signal de battement électrique continu de bonne pureté spectrale (<30 kHz).<br />Nous avons ensuite étudié et caractérisé 2 matériaux photoconducteurs compatibles avec une illumination à 1 µm : l'InGaAsN et l'In.23Ga.77As-BT épitaxié à basse température (BT) sur substrat métamorphique et dopé Be. Les propriétés de ces deux matériaux ont été étudiées et comparées avec celles du GaAs-BT.<br />Après avoir modélisé le fonctionnement de photomélangeurs (en prenant en compte la participation des trous) nous avons effectué des expériences de photomélange : nous avons détecté un signal de quelques dizaines de nW dont la fréquence a pu être accordée jusqu'à 2 THz.<br />Enfin, nous avons proposé un nouveau type de photomélangeur guide vertical. Les modélisations ont montré que la puissance THz émise (0,2 mW à 1 THz), l'accordabilité (0-3 THz) et la pureté spectrale du signal généré (< 30 KHz) de cette source devraient en faire une des plus attractive dans cette gamme de fréquence.

Le rayonnement Térahertz, ou infrarouge lointain, couvre la bande spectrale de 100 GHz à 10 THz. Cette<br />partie du spectre électromagnétique est encore peu exploitée et a souvent été qualifiée de "gap spectral" en raison des nombreuses difficultés à émettre ce rayonnement à des puissances exploitables. Deux spectromètres dans la gamme THz ont été développés et exploités. Le premier, basé sur la spectroscopie résolue en temps, utilise des impulsions THz et permet d'obtenir un spectre de quelques GHz à 1,2 THz en quelques minutes avec une résolution de l'ordre du GHz. Le second est un spectromètre continu basé sur le photomélange avec<br />une extension spectrale de 3 THz et une pureté spectrale de 5 MHz. Après des descriptions analytiques et des caractérisations expérimentales des dispositifs, nous nous sommes intéressés à l'étude, à la surveillance et à la détection des polluants atmosphériques dans l'infrarouge lointain en exploitant les deux instruments pour l'analyse de la fumée de cigarette qui représente un excellent exemple de milieu hostile. Cette étude révèle la présence d'acide cyanhydrique (HCN), de monoxyde de carbone (CO), et de formaldéhyde (H2CO). Les concentrations de ces espèces ont été déduites des formes de raies puis confirmées et comparées à des<br />mesures par méthodes chimiques. La partie fondamentale de ce travail est d'étudier la réponse d'un gaz suite à une excitation subpicoseconde : les signaux de précession libre dans le sulfure de carbonyle (OCS) qui consiste en une série d'impulsions transitoires. Un modèle théorique permet d'interpréter classiquement ces impulsions réémises. La décroissance quasi exponentielle des impulsions transitoires est liée à la largeur de raie des transitions de rotation et les informations d'anharmonicité sont observées sur les formes de ces<br />impulsions qui sont principalement dues à la propagation, à la dispersion et à la distorsion centrifuge.