Antennes photoconductrices avancées pour l'émission THz continue (CW) : modélisation, conception et caractérisation // Advanced Photoconductive Antennas for Continuous-Wave (CW) THz Emission: Modeling, Design, and Characterization

Le domaine térahertz (THz) fait face à un défi majeur : l'absence de sources compactes et efficaces pour générer des ondes THz en continu à température ambiante crée un “gap technologique”. Ce projet vise à combler ce manque, en développant un nouveau type de source, qui convertit un battement optique en rayonnement THz via une antenne photoconductrice.

L'objectif de cette thèse est de concevoir et caractériser une antenne photoconductrice fonctionnant en régime continu à température ambiante, en utilisant des nanotechnologies III-V et des simulations multiphysiques.

Cette avancée permet des applications en imagerie médicale. Les ondes THz, non ionisantes, offrent une excellente résolution submillimétrique malgré une faible profondeur de pénétration. Sensibles aux tissus hydratés, elles ouvrent des perspectives pour la détection précoce de tumeurs et l'imagerie des tissus mous, en complément des technologies comme l'IRM et les ultrasons.(CNRS Le Journal)

Les objectifs détaillés du projet doctoral se déclinent en trois axes principaux.

1. Modélisation et simulation : Ce premier objectif vise à étudier les mécanismes liés au transport des charges dans les antennes photoconductrices, en analysant des paramètres cruciaux tels que la mobilité, le temps de vie et le temps de transit des porteurs de charge. Parallèlement, la forme de l'antenne sera optimisée, en s'appuyant sur des concepts de nanophotonique et de plasmonique. L'identification des matériaux optoélectroniques appropriés sera également une priorité, afin d'assurer la performance et l'efficacité de l'antenne dans le domaine des fréquences THz.

2. Conception et fabrication : La conception d'un dispositif fonctionnel de laboratoire sera réalisée, intégrant les techniques de fabrication en salle blanche, telles que le lift-off et les gravures. Ce processus comprendra également la mise en place des contacts sur des nanotechnologies III-V, essentielles pour garantir l'optimisation des performances de l'antenne photoconductrice.

3. Caractérisation : L'objectif final sera de caractériser le dispositif développé en évaluant divers paramètres, notamment le temps de réponse électro-optique, le rendement, la puissance THz émise, le diagramme de rayonnement et la cohérence. Ces caractérisations permettront de valider l'efficacité de l'antenne et son potentiel pour des applications telles que l'imagerie médicale, où les sources THz peuvent offrir des avantages uniques en termes de pénétration et de contraste d'image.

En atteignant ces objectifs, le projet contribuera significativement au développement de sources THz compactes et efficaces, ouvrant la voie à des avancées dans le domaine des technologies d'imagerie et de communication.
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The terahertz (THz) field faces a major challenge: the absence of compact and efficient sources for generating continuous THz waves at room temperature creates a “technological gap.” This project aims to bridge this gap by developing a new type of source that converts an optical beat into THz radiation via a photoconductive antenna.

The objective of this thesis is to design and characterize a photoconductive antenna operating in continuous-wave (CW) mode at room temperature, using III-V nanotechnologies and multiphysics simulations.

This advancement enables applications in medical imaging. THz waves, being non-ionizing, offer excellent sub-millimeter resolution despite their limited penetration depth. Their sensitivity to hydrated tissues opens promising perspectives for early tumor detection and soft tissue imaging, complementing existing technologies such as MRI and ultrasound. (CNRS Le Journal)

The doctoral project is structured around three main research axes:
1. Modeling and simulation: This first objective aims to study charge transport mechanisms in photoconductive antennas by analyzing key parameters such as mobility, carrier lifetime, and transit time. Simultaneously, the antenna geometry will be optimized using nanophotonics and plasmonic concepts. Identifying suitable optoelectronic materials will also be a priority to ensure high performance and efficiency in the THz frequency range.
2. Design and fabrication: A functional laboratory prototype will be designed, incorporating cleanroom fabrication techniques such as lift-off and etching. This process will also involve implementing electrical contacts on III-V nanotechnologies, which are essential for optimizing the performance of the photoconductive antenna.
3. Characterization: The final objective is to characterize the developed device by evaluating various parameters, including electro-optical response time, efficiency, emitted THz power, radiation pattern, and coherence. These characterizations will validate the antenna's performance and its potential for applications such as medical imaging, where THz sources offer unique advantages in terms of penetration and image contrast.

By achieving these objectives, the project will significantly contribute to the development of compact and efficient THz sources, paving the way for advancements in imaging and communication technologies.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

Profil de Compétence – Doctorant en Photonique THz Informations générales • Domaine de recherche : Photonique THz, optoélectronique, modélisation et caractérisation de sources THz • Environnement scientifique : Intégré à un laboratoire de recherche spécialisé en optoélectronique et photonique THz, avec des collaborations académiques et industrielles Compétences techniques 1. Photonique et optoélectronique • Maîtrise des principes fondamentaux de la génération THz par photo-mélange • Conception et modélisation d'antennes photoconductrices pour l'émission THz continue • Connaissance approfondie des matériaux semi-conducteurs III-V pour la photonique 2. Modélisation et simulation • Utilisation d'outils multiphysiques pour la simulation électro-optique et THz (ex. COMSOL, Lumerical, CST, HFSS) • Modélisation des phénomènes de transport dans les matériaux semi-conducteurs • Études des performances des antennes photoconductrices en régime impulsionnel et continu 3. Caractérisation expérimentale • Mesures de spectres THz en temps réel avec analyseurs de spectre • Caractérisation électro-optique des composants photoconducteurs • Techniques avancées de mesure en télécommunications THz et spectroscopie Compétences en développement et instrumentation • Développement et optimisation de bancs expérimentaux optoélectroniques • Intégration de sources lasers bi-fréquences pour la génération THz • Conception et assemblage de circuits THz et de dispositifs optiques Compétences transverses • Gestion de projet : Planification et coordination d'expériences en collaboration avec plusieurs équipes • Communication scientifique : Rédaction d'articles, participation à des conférences et séminaires internationaux • Valorisation et innovation : Participation à des projets de transfert technologique et brevets Savoir-être et aptitudes • Autonomie et capacité d'adaptation dans un environnement de recherche exigeant • Rigueur scientifique et esprit critique • Travail en équipe et interactions avec des experts en physique, électronique et nanotechnologies
Skills Profile – PhD Candidate in THz Photonics General Information • Research Field: THz photonics, optoelectronics, modeling, and characterization of THz sources • Scientific Environment: Integrated into a research laboratory specializing in optoelectronics and THz photonics, with academic and industrial collaborations Technical Skills 1. Photonics and Optoelectronics • Mastery of fundamental principles of THz generation via photomixing • Design and modeling of photoconductive antennas for continuous-wave (CW) THz emission • In-depth knowledge of III-V semiconductor materials for photonic applications 2. Modeling and Simulation • Use of multiphysics tools for electro-optical and THz simulations (e.g., COMSOL, Lumerical, CST, HFSS) • Modeling of charge transport phenomena in semiconductor materials • Performance analysis of photoconductive antennas in both pulsed and CW regimes 3. Experimental Characterization • Real-time THz spectral measurements using spectrum analyzers • Electro-optical characterization of photoconductive components • Advanced measurement techniques for THz telecommunications and spectroscopy Development and Instrumentation Skills • Development and optimization of optoelectronic experimental setups • Integration of dual-frequency laser sources for THz generation • Design and assembly of THz circuits and optical devices Cross-disciplinary Skills • Project Management: Planning and coordinating experiments in collaboration with multiple teams • Scientific Communication: Writing research papers, presenting at international conferences and seminars • Technology Transfer and Innovation: Involvement in technology transfer projects and patent development Soft Skills and Aptitudes • Autonomy and adaptability in a demanding research environment • Scientific rigor and critical thinking • Teamwork and interaction with experts in physics, electronics, and nanotechnologies