Détecteurs à antenne patch fonctionnant à température ambiante dans l’infrarouge moyen (λ ≈ 9 µm) pour l’hétérodyne

L’infrarouge (IR) est une portion du spectre électromagnétique qui s’étend au-delà de la radiation visible aux yeux humains. Cette radiation est aussi appelée thermique, puisque, selon la loi de Planck, les corps à température ambiante émettent à ces longueurs d’onde. Par suite, un signal infrarouge consiste en une faible variation d’intensité de photons sur un fond thermique. Le mesurer est un enjeu prioritaire pour de nombreuses applications comme la spectroscopie de haute précision, l’astronomie et la communication dans l’espace libre. En effet, en conditions difficiles (brouillard, poussière…) un signal électromagnétique aux longueurs d’onde moyen infrarouges se propage à travers l’atmosphère bien plus loin que dans la bande telecom à 1.55 µm, ce qui assure des communications plus efficaces.
Le développement de technologies optoélectroniques de haute performance dans cette gamme de longueurs d’onde est par conséquent d’une grande importance. Alors que les lasers à cascade quantique (LCQ) sont maintenant des sources à semiconducteur fiables et disponibles commercialement, les technologies de détection sont en retard et encore limitées en rapidité et en température de fonctionnement. La détection hétérodyne offre une solution efficace permettant d’amplifier un faible signal en mesurant le battement par rapport à un laser puissant, appelé oscillateur local.
L’ équipe QUAD au LPENS a développé un système de détection hétérodyne moyen-infrarouge basé sur des dispositifs optoélectroniques unipolaires de haute performances et fonctionnant à température ambiante. L’oscillateur local utilisé est un LCQ, tandis que le récepteur est un détecteur infrarouge à puits quantiques (QWIP) couplé avec un métamatériau de type microcavité. Ce métamatériau permet de récolter des photons sur une aire bien plus grande que la surface géométrique du détecteur, et ainsi d’améliorer le rapport signal sur bruit. Les mesures d’intensité de saturation montrent que ces détecteurs ont une réponse linéaire jusqu’à des puissances très élevées, une propriété essentielle pour la détection hétérodyne.

Grace à la stabilisation passive de la fréquence de l’oscillateur local (LCQ), le système hétérodyne atteint la valeur record de 30 pW de noise equivalent power (NEP) à température ambiante dans la gamme GHz. Enfin, il est démontré qu’en injectant un signal micro-onde, il est possible d’accorder le battement hétérodyne sur toute la large bande de fonctionnement du dispositif. Cette exceptionnelle propriété de mixage est très importante pour le traitement du signal dans des plateformes intégrées basées sur les LCQ.

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Figure : Au fond, Image MEB du détecteur à antenne patch. Au premier plan, le signal hétérodyne mixé avec un signal microonde, mesuré à température ambiante.

En savoir plus :
https://doi.org/10.1002/lpor.201900207

Informations complémentaires :
Laboratoire de Physique de L’Ecole normale supérieure (LPENS, ENS Paris/CNRS/Sorbonne Université/Université de Paris)


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