ANTENNE ET EMETTEUR/RECEPTEUR TERAHERTZ INTEGRES, ET PROCEDE POUR LEUR FABRICATION

L'invention porte sur une antenne intégrée pour l'émission et/ou la réception de rayonnement Terahertz, ainsi que sur un dispositif émetteur et/ou récepteur de rayonnement Terahertz comportant une telle antenne et sur un procédé de fabrication de ladite antenne et dudit dispositif.

Par rayonnement Terahertz on entend un rayonnement électromagnétique dont la fréquence est comprise entre 100 GHz et 3 THz environ (1 THz = 10 ¹² Hz = 1000 GHz). Dans un sens plus restreint, rayonnement Terahertz est pris comme synonyme de rayonnement submillimétrique, c'est à dire ayant une longueur d'onde comprise entre 100 μm et 1 mm environ (fréquence approximativement comprise entre 300 GHz et 3 THz).

Le rayonnement Terahertz constitue un domaine spectral intermédiaire entre les micro-ondes et l'infrarouge. Ses applications, longtemps marginales voire inexistantes, sont actuellement en plein essor.

Parmi ces applications, les plus importantes sont la spectroscopie et l'imagerie pour la détection de polluants, pour le contrôle non destructif et pour le diagnostic médical. Ces applications utilisent généralement un rayonnement Terahertz se propageant en espace libre : il est donc nécessaire de réaliser des émetteur et des récepteurs munis d'une antenne.

Les antennes généralement utilisées aux fréquences

Terahertz sont des antennes planaires, typiquement de type dipolaire (dipôle de Hertz), réalisées de manière monolithique sur le substrat dans lequel sont intégrés les composants actifs utilisés pour la génération ou la détection du rayonnement et comportant une lentille hémisphérique en silicium disposée sur la face arrière du substrat. De telles antennes sont décrites notamment dans le document US 5,789,750 et dans l'article de G. M. Rebeiz « Millimeter-

Wave and Terahertz Integrated Circuit Antennas », Proceedings of the IEEE ₁ Vol. 80, No. 11 , page 1748 (1992).

Ces dispositifs présentent de nombreux inconvénients.

Premièrement, la réalisation de la lentille en silicium et son positionnement sur le substrat avec une précision de l'ordre d'un micron par rapport à l'antenne est très délicate et coûteuse. D'autre part, l'utilisation d'une lentille de couplage est indispensable pour éviter que le rayonnement, principalement émis dans le substrat semiconducteur, ne soit piégé dans ce dernier. En fait, malgré la présence d'une telle lentille, seulement 21% environ de la puissance émise par une antenne planaire type est effectivement rayonnée en espace libre, le reste étant piégé et absorbé par le substrat.

En outre, l'antenne planaire la plus utilisée, le dipôle de Hertz, présente une efficacité faible et qui, de plus, dépend fortement de la fréquence. Malgré le fait que ces antennes ne soient pas réellement « à large bande », elles ont permis, à ce jour, d'obtenir les meilleurs résultats en spectroscopie Terahertz impulsionnelle. Par contre, leur médiocre efficacité les rend inadaptées à l'utilisation en régime continu, où les puissances en jeu sont très faibles.

Le document US 4,855,749 décrit une antenne planaire de type Vivaldi réalisée sur substrat en silicium, fonctionnant dans le domaine Terahertz et ne nécessitant pas de lentille de couplage. Les résultats obtenus à l'aide d'une telle antenne ne sont pas entièrement satisfaisants, notamment du point de vue de l'efficacité énergétique et de la dispersion importante des impulsions.

Le document US2006/0152412 décrit une antenne planaire ayant une forme en spirale logarithmique. Une telle antenne présente une efficacité relativement bonne et une large bande, mais elle est très dispersive. Par conséquent, elle ne convient pas pour une utilisation en régime impulsionnel.

L'article de V. Lubecke et al., « Micromachining for Terahertz Applications » IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech., Vol. 46, No. 11 , page 1821 (1998), porte sur des antennes intégrées pour systèmes Terahertz réalisées à l'aide des techniques de la microtechnologie et surmontant les limitations des structures planaires. Cependant les solutions apportées par ces méthodes ne sont pas satisfaisantes en raison des coûts et de la

complexité des procédés de fabrication et de la fragilité des structures obtenues. En outre, les techniques utilisées (gravure profonde, membrane diélectrique, etc.) conviennent essentiellement au silicium, matériau qui n'est pas spécialement indiqué pour les applications Terahertz. Un but de l'invention est de remédier au moins certains inconvénients de l'art antérieur.

En particulier, un but de l'invention est de procurer une antenne pour l'émission ou la réception de rayonnement Terahertz présentant une efficacité plus élevée que les antennes planaires couramment utilisées. Un autre but de l'invention est de procurer une antenne

Terahertz qui soit facile et économique à fabriquer, même en grande série.

Un autre but de l'invention est de procurer une antenne

Terahertz à très large bande et peu dispersive. Une telle antenne peut convenir pour une utilisation en régime impulsionnel avec des impulsions très brèves (picosecondes), mais également en régime continu, éventuellement accordable.

Encore un autre but de l'invention est de procurer un émetteur/récepteur monolithique pour rayonnement Terahertz, intégrant une telle antenne et au moins un dispositif de génération et/ou détection de rayonnement.

Encore un autre but de l'invention est de procurer un spectromètre pouvant fonctionner aussi bien en régime impulsionnel qu'en régime continu, et un analyseur de gaz basé sur un tel spectromètre.

Au moins un de ces buts est atteint par une antenne intégrée pour l'émission ou la réception de rayonnement dans une plage de fréquences comprise entre 100 GHz et 3 THz, caractérisée en ce qu'elle comporte : un plan de masse conducteur, déposé sur une surface dite supérieure d'un substrat diélectrique ou semi-conducteur ; un ruban conducteur s'étendant au-dessus dudit plan de masse et formant un angle avec ce dernier, de manière à former une structure rayonnante de type cornet à onde transverse électromagnétique (cornet TEM) ; et un guide d'onde planaire comportant au moins une première et une deuxième bande

conductrice formées sur ladite surface supérieure du substrat, reliées respectivement audit ruban conducteur et audit plan de masse conducteur. Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention :

La largeur dudit ruban conducteur et sa distance dudit plan de masse peuvent être variables dans une direction longitudinale, le rapport entre ladite largeur et ladite distance étant choisi de manière à réaliser une adaptation d'impédance entre ledit guide d'onde planaire et la structure rayonnante formée par le ruban et le plan de masse ; plus particulièrement, ce rapport peut se maintenir constant sur au moins une partie de la longueur dudit ruban conducteur.

Encore plus particulièrement, la largeur du ruban conducteur et sa distance du plan de masse peuvent augmenter linéairement suivant ladite direction longitudinale ; autrement dit ledit ruban conducteur peut présenter une forme sensiblement triangulaire, avec un demi angle au sommet qui est de préférence compris entre 5° et 70°.

L'angle compris entre ledit ruban conducteur et ledit plan de masse est de préférence compris entre 5° et 45°.

Ledit guide d'onde planaire peut comporter également une troisième bande conductrice, également reliée audit plan de masse, la deuxième et la troisième bandes conductrices étant disposées symétriquement de part et d'autre de ladite première bande conductrice.

Ledit ruban conducteur s'étendant au-dessus dudit plan de masse et formant un angle avec ce dernier peut avoir une longueur comprise entre 100 μm et 10 mm et de préférence entre 500 μm et 5 mm. - L'antenne peut comporter également au moins une cale pour maintenir ledit ruban conducteur espacé dudit plan de masse.

Un autre objet de l'invention est un émetteur Terahertz comportant : une antenne telle que définie ci-dessus ; et au moins un dispositif de génération d'un signal électromagnétique de fréquence comprise entre 100 GHz et 3 THz, intégré sur le même substrat diélectrique ou semiconducteur que l'antenne; ledit guide d'onde planaire étant agencé pour

transmettre ledit signal électromagnétique du dispositif de génération à la structure rayonnante formée par le ruban et le plan de masse.

Encore un autre objet de l'invention est un récepteur Terahertz comportant : une antenne telle que définie ci-dessus ; et au moins un dispositif de détection d'un signal électromagnétique de fréquence comprise entre 100 GHz et 3 THz, intégré sur le même substrat diélectrique ou semiconducteur que l'antenne; ledit guide d'onde planaire étant agencé pour transmettre ledit signal électromagnétique de la structure rayonnante formée par le ruban et le plan de masse au dispositif de détection. Encore un autre objet de l'invention est un spectromètre

Terahertz comportant : un émetteur de rayonnement Terahertz tel que décrit ci-dessus, du type à photoconduction ; un récepteur de rayonnement Terahertz tel que décrit ci-dessus, également du type à photoconduction, agencé pour recevoir un rayonnement Terahertz généré par ledit émetteur, après que ce dernier ait traversé une région pouvant contenir un échantillon à analyser ; une première source laser impulsionnelle ; une deuxième et une troisième source laser continues, dont l'une au moins est accordable, la différence de fréquence du rayonnement émis par lesdites deuxième et troisième source laser pouvant varier à l'intérieur une plage comprise entre 100 GHz et 3 THz ; et un montage optique pour diriger, de manière sélective, soit le rayonnement émis par ladite première source laser, soit une superposition des rayonnements émis par lesdites deuxième et troisième sources laser, sur des zones photoconductrices desdits émetteur et détecteur ; ledit montage optique comportant une ligne à retard pour introduire un décalage temporel variable entre des impulsions laser émises par ladite première source et dirigées vers une zone photoconductrice dudit émetteur, et des impulsions laser également émises par ladite première source et dirigées vers une zone photoconductrice dudit récepteur.

Encore un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une antenne telle que définie ci-dessus comportant les étapes suivantes : fabrication d'un plan de masse et d'un guide d'onde planaire présentant au moins deux bandes conductrices, dont une connectée audit plan de masse, par dépôt d'une première couche de métallisation (ME) sur une surface dite supérieure d'un substrat diélectrique ou semiconducteur ;

dépôt d'une couche sacrificielle sur ledit plan de masse ; fabrication d'un ruban conducteur connecté à au moins une autre bande conductrice dudit guide d'onde par dépôt d'une deuxième couche de métallisation sur ladite couche sacrificielle ; et gravure de ladite couche sacrificielle pour libérer ledit ruban conducteur.

Selon des modes de réalisation particuliers :

Le procédé peut comporter également, avant le dépôt de ladite couche de métallisation, une étape de réalisation d'ouvertures dans ladite couche sacrificielle pour permettre la connexion électrique et mécanique entre le ruban conducteur et ladite autre bande conductrice dudit guide d'onde planaire.

Ladite deuxième couche de métallisation formant ledit ruban conducteur peut présenter une épaisseur comprise entre 0,1 μm et 50 μm, et de préférence entre 1 μm et 10 μm.

Le procédé peut comporter également une étape de soulèvement dudit ruban conducteur.

Le procédé peut comporter également une étape de fabrication d'une cale pour maintenir ledit ruban conducteur espacé dudit plan de masse. En particulier, cette étape peut comporter le dépôt d'une gouttelette de cire à l'état liquide entre le ruban conducteur et le plan de masse, et son durcissement successif.

Le procédé peut comporter également une étape d'intégration sur ledit substrat diélectrique ou semiconducteur d'un dispositif de génération et/ou de détection d'un signal électromagnétique de fréquence comprise entre 100 GHz et 3 THz, ledit dispositif étant relié à la structure rayonnante formée par le ruban et le plan de masse par ledit guide d'onde planaire. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :

Les figures 1 , 2 et 3, respectivement une vue en élévation, du côté et en plan d'une antenne intégrée selon l'invention ; la figure 4, le schéma d'une expérience démontrant le fonctionnement d'une antenne et d'un dispositif émetteur/récepteur selon l'invention ; les figures 5 et 6, des graphiques illustrant les résultats de cette expérience ; les figures 7A à 7G, les étapes d'un procédé de fabrication de l'antenne des figures 1 à 3 ; - la figure 9, une vue en coupe d'une antenne selon une variante de l'invention ; et la figure 10, un schéma de principe d'un spectromètre à Terahertz basé sur l'utilisation d'antennes selon l'invention.

Alors que les antennes intégrées opérantes dans le domaine Terahertz connues de l'art antérieur sont principalement de type planaire, l'invention porte sur une antenne tridimensionnelle réalisée sur un substrat isolant ou semiconducteur à l'aide de techniques photolithographiques standard. Plus précisément, l'antenne est de type cornet à onde transverse électromagnétique, c'est à dire constituée par un guide d'onde évasé formé par deux feuilles conductrices superposées séparées par un angle β.

Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 3, les deux feuilles conductrices constituant le cornet à onde transverse électromagnétique sont un plan de masse PM, déposé sur une surface S d'un substrat isolant ou semi-conducteur SB, et une ruban conducteur RC s'étendant au-dessus dudit plan de masse et formant un angle β avec ce dernier. Le ruban RC est sensiblement plan et a une forme sensiblement triangulaire avec un angle au sommet 2α. Le plan de masse PM et le ruban

RC forment un guide d'onde dont l'impédance est constante le long de la direction longitudinale x et ne dépend que de α et β. Dans l'exemple considéré, α=23,4° et β=9,8° pour une longueur totale du ruban L=3 mm, ce

qui donne une impédance caractéristique proche de 50 ω, une hauteur totale H=520 μm et une largeur d'extrémité du ruban W=2,6 mm.

L'impédance caractéristique peut être calculée par la formule approchée suivante, valable pour W>H et pour un diélectrique de permittivité égale à 1 :

120τr 60π

Zc

^ _{+ 2} ^ ₊ ] H ûn β

Cette dernière formule donne des résultats corrects pour des angles α et β inférieurs à 50°. Des méthodes de calcul plus générales et des abaques peuvent être trouvées dans : RT. Lee et al., IEEE Transaction on antennas and propagation, vol. 52, p. 315 (2004).

En principe, les angle α et β peuvent prendre toute valeur comprise entre 0° et 90°, à l'exclusion des valeurs extrêmes. Cependant, l'angle α est de préférence compris entre 5° et 70°, et l'angle β entre 5° et 45°. La longueur du ruban RC est un paramètre important car elle détermine la fréquence de coupure inférieure de l'antenne. Cette longueur est généralement comprise entre 100 μm et 10 mm, et de préférence entre 500 μm et 5 mm.

La fréquence de coupure supérieure dépend de l'échelle géométrique la plus petite pour laquelle l'antenne reste homothétique. Si le ruban RC était parfaitement triangulaire, raccordé au guide d'onde planaire G par sa pointe, la largeur de bande serait donc théoriquement infinie (en pratique, limitée seulement par les propriétés physiques intrinsèques des matériaux utilisés). Dans une structure réalisable en pratique, la fréquence de coupure supérieure est essentiellement déterminée par la largeur finie du raccordement entre le ruban RC et le guide d'onde G.

La forme du ruban conducteur RC peut ne pas être triangulaire, par exemple sa largeur W peut dépendre de manière non-linéaire de la coordonnée longitudinale x. En outre, le ruban RC peut ne pas être plan, mais présenter une courbure ou gondolement : comme cela sera discuté plus

loin, en fait, une légère courbure est difficilement évitable en raison des contraintes mécaniques internes accumulées lors de la fabrication du dispositif. Cependant, si on souhaite obtenir une antenne à large bande, la structure rayonnante SR doit être homothétique, c'est à dire présenter la même géométrie quelle que soit l'échelle à laquelle elle est représentée ; autrement dit, le rapport largeur - hauteur W(x)/H(x) doit rester constant autant que possible. Afin de maintenir ce rapport W(x)/H(x) sensiblement constant et d'obtenir ainsi un fonctionnement à large bande même en présence d'un gondolement induit par les contraintes internes, il est possible de choisir un ruban RC de forme généralement triangulaire mais avec des côtés curvilignes pour maintenir ce rapport W(x)/H(x) sensiblement constant.

Le ruban RC est réalisé en métal hautement conducteur (or, cuivre, ...) avec une épaisseur ε de l'ordre d'au moins quelques micromètres, par exemple 5 μm, pour des raisons de résistance mécanique. La solidité de la structure peut être améliorée par des bras ou cales diélectriques ou même métalliques, maintenant le ruban RC espacé du plan de masse PM. Une technique particulièrement efficace consiste à stabiliser le ruban à l'aide d'une gouttelette de cire de paraffine fondue : un tel matériau est adapté aux applications Terahertz en raison des faibles pertes qu'il introduit et de son indice de réfraction relativement bas, de l'ordre de 1 ,5.

La structure rayonnante formée par le ruban RC et le plan de masse PM est reliée à un guide d'onde planaire G formé par trois bandes conductrices : une première bande BC1 est connectée au ruban RC et transporte le signal destiné à être émis ou le signal reçu, tandis qu'une deuxième et une troisième bande, BC2 et BC3, disposées symétriquement de part et d'autre de la première bande, sont reliées au plan de masse PM. En fait, on peut considérer que le ruban RC est une prolongation de la première bande BC1 , et que le plan de masse PM est formé par l'élargissement et l'union de la deuxième et de la troisième bande. On comprend qu'il est avantageux que l'impédance caractéristique du guide G soit sensiblement égale à celle de la structure rayonnante SR, afin d'éviter des pertes par réflexion au niveau de la transition entre les deux structures.

Dans l'exemple considéré, les trois bandes ont la même largeur Li=L ₂ =L ₃ =IO μm, avec un espacement D ₁₂ =D ₁₃ de 6 μm entre chacune des bandes latérales BC2, BC3 et la bande centrale BC1. La largeur totale du guide G doit être la plus petite possible afin de minimiser les pertes par rayonnement.

La longueur L _t qui sépare le point de séparation du ruban RC de la surface S et le côté arrière du plan de masse PM est un autre paramètre qui doit être optimisé afin de minimiser les pertes par réflexion au niveau de la transition entre le guide G et la structure rayonnante SR. En principe, cette longueur devrait être la plus petite possible, compatiblement avec les contraintes de fabrication et la nécessité d'éviter tout contact électrique direct entre le ruban RC et le plan de masse PM. Dans l'exemple considéré, L _t a été choisi, d'une manière très prudente, égal à 20 μm. Des meilleurs résultats peuvent être obtenus en utilisant une longueur de séparation de quelques micromètres, par exemple L _t =5 μm.

Le substrat SB est réalisé dans un matériau diélectrique ou semiconducteur, de préférence présentant des pertes relativement faibles dans le domaine spectral d'intérêt et un indice de réfraction le plus bas possible pour minimiser l'effet de piégeage du rayonnement. Des exemples de substrats adaptés sont AsGa semi-isolant (utilisé dans l'exemple des figures 4 à 6), Si, IP, SiC, quartz, diamant, verre, etc. En pratique, le choix du substrat est lié d'une part à des considérations technologique et d'autre part à la nécessité d'intégrer, sur ce même substrat, au moins un élément actif de génération et/ou de détection de rayonnement Terahertz. Cet élément actif peut être un photodétecteur, une photodiode, une diode PIN, à effet tunnel résonnant, à contact Schottky, etc., auquel cas le substrat SB doit être de type semiconducteur ; il peut également s'agir simplement d'une couche mince de semiconducteur polarisé par des électrodes métalliques, notamment dans le cas d'un générateur photoconducteur ou d'un détecteur à effet Franz- Keldysh, auquel cas il est possible d'utiliser un substrat sensiblement isolant, par exemple en quartz ou en verre.

Un aspect remarquable de l'invention est que le rayonnement se fait directement dans l'air, et pas dans le substrat : pour cette raison, l'utilisation d'une lentille de couplage n'est pas nécessaire. Par ailleurs, l'importance des propriétés du substrat (constante diélectrique, pertes...) est moindre que dans le cas des dispositifs de l'art antérieur, ce qui laisse plus de marge de manœuvre au concepteur pour choisir le matériau le plus adapté du point de vue technologique et/ou pour la réalisation des éléments actifs.

A première vue, l'antenne de l'invention présente une ressemblance avec celle décrite dans l'article de J.-C. Langer et al. « Micromachined Reconfigurable Out-of-Plane Microstrip Patch Antenna Using Plastic Déformation Magnetic Actuation », IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 13, No. 3, page 120 (2003). Cette antenne présente une structure rayonnante formée par une plaque conductrice de forme sensiblement rectangulaire qui s'étend au-dessus de la surface supérieure d'un substrat diélectrique en formant un angle avec cette dernière, et un plan de masse conducteur déposé sur la surface inférieure de ce même substrat. La plaque sur la surface supérieure et le plan de masse sur la surface inférieure sont en fait des prolongements d'une ligne de transmission à microbandes qui amène les signaux à l'antenne. Cette antenne n'est pas, à proprement parler, de type à cornet, mais constitue plutôt une variante d'une antenne à microbandes. Elle présente de ce fait une bande relativement étroite, de l'ordre de 5%, centrée à 25 - 28 GHz, c'est à dire à des fréquences éloignées du domaine Terahertz. Par ailleurs, comme dans toute antenne à microbandes, le substrat participe au rayonnement, ce qui n'est pas gênant dans le domaine spectral considéré (ondes centimétriques), mais conduirait à des pertes très élevées et à un effet prononcé de guidage des ondes émises si on essayait de s'en servir aux fréquences Terahertz.

La figure 4 montre un schéma d'un système émetteur/récepteur monolithique selon l'invention, du type à photoconduction. Un tel système est constitué par une antenne du type décrit ci-dessus, un dispositif actif de génération de rayonnement Terahertz GEN et un dispositif actif de détection de rayonnement Terahertz DET, reliés à la structure

rayonnante SR par l'intermédiaire du guide d'onde planaire G. Dans une expérience démonstrative, le système de la figure 4 est utilisé comme radar monostatique pour mesurer la distance entre l'antenne et une cible réfléchissante C située à quelques millimètres de cette dernière. Le dispositif de génération GEN est simplement constitué par une couche de GaAs épitaxié à basse température, déposée sur les bandes conductrices BC1 , BC2 et BC3 du guide G et polarisée par une tension continue de 60 V appliquée entre BC1 et BC2/BC3 par un générateur électrique DCB. En conditions d'équilibre, le film en GaAs est sensiblement isolant ; une impulsion laser LP1 d'une durée de 120 fs à 810 nm, générée par un laser Ti:Saphir le rend conducteur pour un temps de l'ordre de 1ps, durée de vie des porteurs de charge ; cette brusque variation de conductibilité engendre une impulsion unipolaire de courant électrique THz-P également d'une durée de l'ordre de 1 ps, présentant donc un spectre s'étendant jusqu'aux fréquences Terahertz. Cette impulsion THz-P se propage le long du guide G et est rayonnée dans l'espace libre par le cornet SR. On observe que, bien que l'impulsion guidée THz-P soit unipolaire, l'impulsion rayonnée THz-P' ne l'est pas, ce qui est une conséquence bien connue des lois de l'électromagnétisme. Le générateur GEN est connecté au plan de masse PM par l'intermédiaire de deux condensateurs à base de Si ₃ N ₄ (non représentés) qui interrompent les bandes P2, P3. En effet, si on appliquait la tension de polarisation directement entre le ruban RC et le plan de masse PM, une force électrostatique s'exercerait entre ces deux éléments, pouvant induire leur rapprochement.

L'impulsion THz-P' se propage dans l'espace libre jusqu'à la cible C, constituée par un plan conducteur, qui la réfléchit vers l'antenne. La détection de l'impulsion réfléchie se fait optiquement à l'aide d'un détecteur DET constitué par une couche en Alo _, o _δ Ga _o,92 As déposée sur les bandes conductrices BC1, BC2 et BC3 du guide G. Une impulsion laser LP2, réplique décalée temporellement de l'impulsion de génération LP1 , est dirigée vers cette couche et partiellement réfléchie ; en raison de l'effet Franz-Keldysh, le

coefficient de réflexion dépend du champ électrique instantané dans le détecteur, qui est donné par la superposition de la tension continue de polarisation et du signal Terahertz. En variant le retard entre les impulsions laser de génération LP1 et de détection LP2, l'impulsion THz-P' réfléchie et captée par l'antenne est donc échantillonnée avec une résolution temporelle sub-picoseconde, selon le principe pompe-sonde.

Les techniques de génération et de détection d'impulsions Terahertz utilisées dans cette expérience sont décrites plus en détail dans les articles suivants : J.-F. Lampin et al, « Détection of picosecond electrical puises using the intrinsic Franz-Keldysh effect », Appl. Phys. Lett. 78, 4103 (2001) ; et

L. Desplanque et al. « Génération and détection of terahertz puises using post-processing bonding of low-temperature-grown GaAs and AIGaAs », Appl. Phys. Lett. 82, 2049 (2004).

En variante, il est possible de générer un rayonnement Terahertz continu. Pour ce faire on utilise, en remplacement de l'impulsion laser LP1 , deux faisceaux laser continus, présentant une différence de fréquence égale à la fréquence du rayonnement à générer. Cette technique, qui exploite le battement entre les deux faisceaux laser, est dite « génération par photomélange » et est décrit dans l'article de E. R. Brown, K. A. Mclntosh, K. B. Nichols, et C. L. Dennis « Photomixing up to 3.8 THz in low- temperature-grown GaAs » Applied Physics Letters vol. 66, p. 285 (1995).

Le photomélange peut également être exploité pour la détection du rayonnement Terahertz selon une technique appelée détection homodyne: voir l'article de G. Mouret, S. Matton, R. Bocquet, D. Bigourd, F. Hindle, A. Cuisset, J. -F. Lampin et D. Lippens « Anomalous dispersion measurement in terahertz frequency région by photomixing Applied Physics » Letters vol. 88, 181105 (2006). En variante, le rayonnement Terahertz continu peut être détecté à l'aide d'un bolomètre.

La figure 5 montre le signal d'électroabsorption (en unités arbitraires a.u.) de l'impulsion de sonde LP2 en fonction du retard pompe- sonde (en picosecondes ps). Le premier pic Pi correspond à l'impulsion électrique Terahertz THz-P conduite directement par le guide G du générateur GEN au détecteur DET ; les pics P ₂ et P ₃ correspondent aux réflexions parasites par la transition G-SR et par l'extrémité du cornet, respectivement, tandis que le pic P ₄ correspond effectivement à l'impulsion THz-P' émise, réfléchie et détectée. L'encadré montre un détail du pic P ₄ pour deux positions de la cible C, 5,5 mm (ligne pointillée) et 7,5 mm (ligne continue grise) de l'extrémité du cornet, et en l'absence de ce dernier (ligne continue noire). Le temps de montée sub-picoseconde du pic P ₄ (de 10% à 90% en 700 fs environ) montre la faible dispersion de l'antenne selon l'invention. Ce caractère peu dispersif est caractéristique des antennes à cornet à onde transverse électromagnétique. En divisant la transformée de Fourier de l'impulsion réfléchie par celle de l'impulsion incidente on obtient le coefficient de réflexion de l'antenne en fonction de la fréquence, |Sn(f)|. Comme le montre la figure 6, ce coefficient de réflexion est inférieur à -10 dB sur une bande s'étendant de 65 GHz à 1700 GHz (1 ,7 THz) environ, témoignant du fonctionnement ultra- large bande de l'antenne selon l'invention.

Les pertes attribuables à la propagation le long du guide G sont estimées à 4dB pour des fréquences jusqu'à 800 GHz et peuvent être réduites ultérieurement en choisissant un substrat avec une permittivité diélectrique plus faible, tel que le quartz. Les figures 7A à 7G montrent les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une antenne intégrée selon l'invention. Premièrement, figures 7A-7B, une première couche métallique ME est déposée sur le substrat SB et gravée par les techniques classiques de la microélectronique afin de réaliser les bandes conductrices BC1-BC3 du guide G et le plan de masse PM. Ensuite, figure 7C, la couche métallique ME est recouverte par une couche sacrificielle en résine photosensible, dans laquelle sont pratiquées des ouvertures O en correspondance des futures connexions

électriques et mécaniques entre le ruban conducteur RC et la bande conductrice centrale BC1. Une deuxième couche métallique ME2, sensiblement plus épaisse que la première couche ME, est déposée sur la couche sacrificielle SAC (figure 7E) pour former le ruban conducteur RC. L'épaisseur ε de la couche ME2 est déterminée de manière empirique. En effet, cette épaisseur doit être suffisante à la fois pour assurer la solidité mécanique du ruban RC une fois que ce dernier n'est plus supporté par le substrat et pour éviter que les contraintes internes à la couche ME2 ne déterminent une courbure trop importante de cette dernière, courbure qui est inversement proportionnelle à l'épaisseur ε. En même temps, un certain niveau de courbure s'avère indispensable pour assurer la libération de l'antenne : une couche ME2 trop épaisse adhérerait au plan de masse ME et empêcherait de ce fait le soulèvement du ruban RC.

Enfin, comme représenté sur la figure 7F, le ruban RC est libéré par sous-gravure de ladite couche sacrificielle SAC. Les contraintes internes précitées provoquent un soulèvement du ruban RC dès sa libération. En général, cependant, ce soulèvement est insuffisant pour atteindre l'angle β souhaité ; il est donc nécessaire d'agir sur le ruban RC, par exemple à l'aide d'un micromanipulateur. De manière optionnelle, on peut prévoir une étape additionnelle de stabilisation de la structure rayonnante SR, notamment en disposant une gouttelette de paraffine liquide entre le plan de masse PM et le ruban conducteur RC ; en solidifiant, cette dernière forme une cale diélectrique CL qui rigidifie l'antenne (figure 7G).

En variante, comme le montre la figure 9, la structure de l'antenne peut être maintenue par un plot diélectrique PD, tel qu'un cube en PTFE disposé entre le plan de masse PM et le ruban conducteur RC et fixé par collage ou par brasure ; dans ce dernier cas, un revêtement métallique RM, RM' par exemple en cuivre, doit être prévu sur les surfaces supérieure et/ou inférieure du plot. Même en cas de collage, un tel revêtement peut être utile pour séparer le rayonnement Terahertz de la colle, qui serait autrement susceptible d'introduire des pertes importantes. L'utilisation d'une brasure BR

s'avère particulièrement avantageuse : en effet, lorsque le métal fondu solidifie, il introduit une tension mécanique du ruban conducteur RC, qui le rend plus rectiligne en améliorant ainsi les propriétés électromagnétiques de l'antenne. Même lorsqu'une cale de ce type est utilisée, il peut être utile de remplir de cire l'espace compris entre le plan de masse et le ruban conducteur, afin d'homogénéiser la permittivité électrique dans cet espace.

Le ou les dispositifs actifs de génération et/ou détection de rayonnement Terahertz peuvent être fabriqués en même temps que l'antenne, éventuellement avec la mise en commun de certaines étapes du procédé de fabrication (notamment, des étapes de métallisation). En variante, la fabrication de ces dispositifs peut avoir lieu avant ou après celle de l'antenne.

Une des applications les plus prometteuses du rayonnement

Terahertz est l'analyse spectrométrique, en particulier de gaz, par exemple pour identifier des polluants. En particulier, deux techniques de spectrométrie peuvent être utilisées.

Une première possibilité consiste à utiliser des impulsions

Terahertz brèves, et donc à large bande, pour effectuer des mesures spectroscopiques par transformée de Fourier. Cette technique est rapide, mais présente une basse résolution spectrale (typiquement de l'ordre de quelques GHz). Typiquement, pour ce type d'application on utilise des antennes à dipôle.

Une autre possibilité consiste à utiliser un rayonnement

Terahertz continu accordable obtenu en utilisant la technique du photomélange, décrite plus haut. La faible puissance du rayonnement

Terahertz ainsi obtenu impose l'utilisation d'antennes spirales ou similaires.

Cette technique permet d'effectuer des mesures spectroscopiques à haute résolution (quelques MHz, voire moins), mais le balayage de larges plages de fréquence nécessite de temps importants. L'antenne de l'invention présente des caractéristiques électromagnétiques qui conviennent à l'émission et à la réception d'impulsions Terahertz, mais aussi de rayonnement continu accordable. Cela

rend possible la réalisation d'un spectromètre combinant les avantages des deux techniques décrites ci-dessus.

Un tel spectromètre, dont la structure est représentée schématiquement sur la figure 10, comprend : - un émetteur Terahertz EM, par exemple du type de la figure 4 ; un détecteur Terahertz DE qui peut être, lui aussi, du type de la figure 4 ; une cellule d'analyse CA destinée à contenir un échantillon (typiquement un gaz) à analyser, ladite cellule étant disposée entre l'émetteur et le détecteur ; une source laser impulsionnelle L1 ; deux sources laser continues, L2 et l_3, dont une au moins est accordable ; - un montage optique pour diriger de manière sélective un rayonnement laser généré par ladite source laser impulsionnelle, ou par lesdites sources lasers continues, sur un élément photoconducteur desdits émetteur et détecteur Terahertz. Le montage optique du détecteur comporte une ligne à retard LR. Pour analyser spectralement l'échantillon contenu dans la cellule CA, on commence par effectuer une série de mesures en régime impulsionnel. Les impulsions laser engendrées par la source L1 servent aussi bien pour la génération que pour la détection du rayonnement Terahertz, comme expliqué plus haut, en référence à la figure 4. La ligne à retard LR introduit un décalage variable entre l'impulsion de génération et l'impulsion de détection : en effectuant un balayage de ce décalage, on peut reconstituer la forme temporelle de l'impulsion Terahertz reçue par le détecteur DE. Un spectre à large bande et basse résolution peut donc être calculé par transformée de Fourier. Cette première phase permet d'identifier les plages de fréquences où se situent des lignes d'absorption permettant de caractériser l'échantillon. Des mesures spectroscopiques en continu sont donc effectuée

dans ces régions uniquement, en utilisant les sources laser L2 et L3, pour obtenir des spectres à haute résolution dans ces plages uniquement. Lors de cette deuxième phase, le décalage temporel introduit par la ligne à retard LR peut être maintenu fixe. Autrement dit, une première phase de spectroscopie impulsionnelle à basse résolution permet d'identifier les plages de fréquence « intéressantes », puis des acquisitions à haute résolution sont effectuées dans ces plages.

On comprend que Ia figure 10 ne représente qu'un seul mode de réalisation possible d'un spectromètre selon l'invention. En variante, on peut envisager d'utiliser un même dispositif comme émetteur et détecteur, le rayonnement Terahertz étant réfléchi par un écran disposé derrière la cellule CA. Par ailleurs, la détection du rayonnement lors des mesures en continu peut se faire en utilisant un bolomètre.