Two-Photon Absorption for Infrared Detection

Absorption à deux photons pour la détection infrarouge

Benjamin Vest (1)

1 ONERA - The French Aerospace Lab [Palaiseau]

This work was focused on the investigation of non-degenerate two-photon absorption (ND-2PA) as a solution for detecting infrared photons in visible bandgap materials. This allows high performance operation at high temperatures. Firstly, we investigated the different descriptions of two-photon absorption and applied them in the theoretical frame of photodetection. We have then characterised several commercial photodetectors, thus highlighting the competition between linear and non-linear processes of sub-bandgap photon absorption, as well as the need to compensate the intrinsic inefficiency of two-photon absorption by using non-conventional photodetectors. Secondly, we designed uncooled photodetectors based on two-photon absorption inside a semiconductor embedded in a resonnant metallic nanostructure. Due to strong field enhancement, non-linear processes are increased by several orders of magnitude. These performances were both proven numerically and experimentally, after fabrication of sample devices in a clean room environment, and characterisation of their optoelectronics properties. This work is a first step toward an innovative method for infrared photodetection at high operating temperatures.

Les travaux de cette thèse portent sur l’étude de l’absorption à deux photons non-dégénérée comme solution de détection infrarouge dans des matériaux à gap visible. Leur utilisation n’impose pas le recours au refroidissement du détecteur. Dans un premier temps, nous étudions différentes descriptions du processus d’absorption à deux photons pour les appliquer au cadre de la détection de lumière. Des expériences de caractérisation ont ensuite été menées sur des détecteurs commerciaux. Elles ont mis en évidence la compétition entre processus d’absorption linéaire et non-linéaire de photons d’énergie sub-gap dans les semiconducteurs. Dans un second temps, nous avons travaillé à la conception de photodétecteurs non-refroidis intégrant des cavités résonantes nanostructurées. En confinant les photons dans un volume réduit, ces structures permettent d’améliorer de plusieurs ordres de grandeur le rendement quantique de détection. Les performances des dispositifs conçus ont pu être démontrées à la fois numériquement, et expérimentalement, après fabrication en salle blanche des photodétecteurs et caractérisation de leurs propriétés optoélectroniques. Le travail mené veut se présenter comme une alternative originale et innovante aux méthodes classiques de détection quantique infrarouge refroidie.

Mots clés: detection; non-linear optics; nanosciences

Mots clés: optique non-linéaire

Domaines: Optique [physics.optics]

Benjamin Vest. Absorption à deux photons pour la détection infrarouge : Une alternative aux schémas classiques de détection quantique. Optique [physics.optics]. Ecole Polytechnique, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01262307⟩