Fabrication of THz modulator based on photo-generated meta-surface

Fabrication d’un modulateur THz à base de méta-surfaces photo-générées

Julien Guise (1, 2, 3, 4)

1 IES - Institut d’Electronique et des Systèmes
2 NANOMIR - Composants à Nanostructure pour le moyen infrarouge
3 PO - Photonique et Ondes
4 MAT - Matériaux

This thesis will take place between IES in Montpellier and Institute Pascal in Clermont-Ferrand. The doctoral project consists of developing the building blocks of integrated THz modulator based on photo-generated meta-surface. IES and IP collaborate for a few years to develop applications in the mid-infrared and THz range using original concepts such as all-semiconductor plasmonics and photo-generated meta-surface. Recently, they demonstrated the modulation of a THz wave through photo-generated meta-surface in a free-standing slab of un-doped InAs using a 800-nm laser at a weak irradiance of 10 W.cm-2. Nanomir can fabricate lasers with larger irradiance. This modulation of the THz wave is due to the photo-generated free-carriers that transform the InAs slab in epsilon near zero (ENZ) material. The THz wave 50 times smaller than the InAs slab will be reflected and absorbed by the ENZ layer. The thesis project will consist of developing numerical tools at IP to optimise the design including the laser and the un-doped and doped InAs layers. The selected structures will be fabricated at IES in the Nanomir group whereas the photo-modulation process will be characterized in the Photera group.

Cette thèse se déroulera entre l’IES à Montpellier et l’Institut Pascal (IP) à Clermont-Ferrand. Le projet doctoral consiste à développer les briques de base d’un modulateur d’onde THz intégré par photo-génération de méta-surfaces. L’IES et l’IP travaillent depuis maintenant plusieurs années au développement d’applications originales dans le moyen infrarouge (MIR) et le THz en s’appuyant sur des concepts physiques originaux de comme la plasmonique tout semi-conducteur et les méta-surfaces photo-générées. Récemment, la modulation d’un faisceau THz jusqu’à une fréquence de coupure de 2 MHz a été mise en évidence dans des membranes minces d’InAs par photo-génération de porteurs pour une densité de puissance laser de seulement 10 W.cm-2. De telles densités de puissance sont facilement accessibles par des lasers semi-conducteurs notamment ceux développés dans le groupe Nanomir. La photo-génération de porteurs libres dans la membrane d’InAs permet de créer un matériau à epsilon proche de zéro (Epsilon Near Zero, ENZ) dans le THz. L’onde THz 50 fois plus grande que la couche mince sera très fortement réfléchie et absorbée par cette couche ENZ. Le projet de thèse consistera à développer dans un premier temps les outils numériques à l’IP pour optimiser la structure complète intégrant un laser et des couches d’InAs dopé ou non dopé. Ensuite seront développées à l’IES les étapes technologiques nécessaires à la fabrication du dispositif dans le groupe Nanomir de manière à procéder à des tests de modulation d’onde THz dans le groupe Photera.

Mots clés: Meta-Surface; Nanostructure; Plasmonics; THz

Mots clés: Plasmonique; Méta-Surface; THz; Nanostructure

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique; Traitement du signal et de l'image [eess.SP]

Julien Guise. Fabrication d’un modulateur THz à base de méta-surfaces photo-générées. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université de Montpellier, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UMONS076⟩. ⟨tel-04579499⟩