Antenne optique tunnel pilotée électriquement : une source lumineuse large bande à l'échelle du nanomètre

ELECTRON-FED OPTICAL ANTENNA

• Auteur / Autrice : Mickaël Buret
• Direction : Alexandre Bouhelier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/11/2019
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Lucien Saviot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Erik Dujardin, Christophe Sauvan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ludovic Douillard, Emmanuel Cottancin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Optique

Nanophotonique

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Jonction tunnel

Antenne

Plasmonique

Nano-Optique

Tunnel junction

Antenna

Plasmonics

Nano-Optics

Résumé

Cette thèse a pour objectif la conception d'une source optique nanométrique, directive, et pilotée électriquement. Le dispositif repose sur l'intégration d'une jonction tunnel émettrice en tant que point d'alimentation d'une antenne optique métallique. L'intégration de ce nouveau type de composant a nécessité une étude approfondie du mécanisme d'émission. Les travaux menés à l'aide de mesures optiques et électriques démontrent que le processus de conversion électron-photon peut être décrit par la désexcitation radiative d'une population électronique portée à haute température par le passage à travers une barrière de potentiel. Le composant développé est un dispositif d'interfaçage entre une couche de contrôle électronique et une émission électromagnétique large bande. Nous avons complété nos travaux par une étude des propriétés de modulation du signal. Le temps de vie des électrons chauds étant très court (ps), la source nanométrique ainsi développée devrait permettre des taux de modulation nettement supérieurs aux technologies s'appuyant sur les semi-conducteurs.

Nanoscale electronics and photonics are among the most promising research areas providing functional nanocomponents for data transfer and signal processing. By adopting metal-based optical antennas as a disruptive technological vehicle, we demonstrate that an optical antenna coupled to a tunnel junction can be interfaced to create an electronically driven self-emitting unit. This nanoscale plasmonic transmitter operates by injecting electrons in a contacted tunneling antenna feedgap. Under certain operating conditions, we show that the device radiates a broadband light spectrum which can be related to a thermal like spectrum. We propose a model based upon the spontaneous emission of hot electrons that correctly reproduces the experimental findings. The electron-fed optical antennas described here are critical devices for interfacing electrons and photons, enabling thus the development of optical transceivers for on-chip broadcasting of information at the nanoscale. Based on the relaxation of hot carriers with life-times (ps) shorter than semiconductors, this technology could be a new paradigm for high frequency modulation.