Superradiant infrared emitters
Emetteurs infrarouges superradiants
Résumé
This thesis focuse on the realisation and the caracterisation of infrared emitters. They are based on the use of III-V, heavly doped, semiconductor layer. When the thickness of the semiconductor layer is less than the wavelenght of the plasmon inside the material, the plasmon is confined and strongly couple with the radiation. The absorption spectrums show a single resonance in the mid-infrared for our structure. The spontaneous emission rate of the plasmon is proportional to the electronic density of the semiconductor layer. The Spontaneous emission is therefore a cooperative phenomena : the confined plasmon is superradiant. In this thesis I use the equality between emissivity and absorptivity (kirchohoff law of emissivity), together with the strong coupling of the plasmon with the radiation, in order to realized thermal emitters in the mid-infrared. This emitters are narrow and directive. In the devices that I realized, the plasmon is thermally excited thanks to the injection of a current in the plane of the highly doped layer. The study and the imporvement of the emission properties of this device are the heart of this work. The main result that I obtain is the realisation of a thermal emitter that can be modulated up tu 50 MHz, which is two order of magnitude higher than the state of the art.
Cette thèse porte sur la réalisation et la caractérisation d’émetteurs infrarouges, basés sur l’utilisation de couches semi-conductrices III-V fortement dopées. Quand l’épaisseur des couches est inférieure à la longueur d’onde du plasmon dans le matériau, le plasmon est confiné et se couple très fortement au rayonnement. Son spectre d’absorption présente une unique résonance se trouvant dans l’infrarouge moyen pour nos structures. Le taux d’émission spontanée du plasmon est proportionnel à la densité électronique de la couche semi-conductrice fortement dopée. L’émission spontanée est donc un phénomène coopératif : en d’autres termes, le plasmon confiné est superradiant. Dans cette thèse j’ai exploité l’égalité qui existe entre l’émissivité et l’absorptivité d’une structure (loi de Kirchhoff de l’émissivité), ainsi que le fort couplage des plasmons au rayonnement, pour réaliser des émetteurs thermiques dans l’infrarouge moyen, à spectre étroit et directifs. Dans les dispositifs que j’ai réalisés le plasmon est excité thermiquement en injectant un courant dans le plan des couches semiconductrices. L’étude et l’amélioration de leurs propriétés d’émission sont au cœur de mon travail de thèse. Le résultat principal que j’ai obtenu est la réalisation d’émetteurs thermiques modulables en fréquence jusqu’à 50 MHz, soit deux ordres de grandeur au-dessus de l’état de l’art.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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