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NanoAntennes pour Emetteurs InfraRouge – IRENA

NanoAntennes pour Emetteurs InfraRouge – IRENA

Emetteur dans le moyen infrarouge modulé rapidement pour les télécommunications à courte portée

Des sources dans le proche infrarouge sont utilisées pour des applications de télécommunications à courte portée telles que les télécommandes ou des liens en espace libre.  Les technologies actuelles utilisent des diodes du fait des excellentes performances des sources et détecteurs dans ce domaine.  Pourtant, les liens de communication souffrent des problèmes de diffusion par des particules tels que des polluants, des poussières ou des gouttelettes d'eau. Heureusement, l'atmosphère est transparente dans le moyen infrarouge entre 3 et 5 µm ainsi qu'entre 8 et 13 µm dans des gammes spectrales qui souffrent beaucoup moins de la diffusion.  De surcroît, les sources du moyen infrarouge sont très utiles pour des applications de détection de gaz, de séchage ou de chauffage radiatif.

Les sources disponibles actuellement dans cette gamme de longueurs d'onde sont des lasers à cascade quantique qui sont assez onéreux ou des OPO qui sont volumineux et chers. Les seules sources peu chères et robustes sont des sources incandescentes telles que des membranes ou des globars.  Ces sources ne peuvent pas être modulées plus vite que 100 Hz du fait de leur inertie thermique.  Dans le projet IRENA, nous avons introduit deux nouveaux paradigmes afin de pouvoir réaliser  une source compacte et peu onéreuse fonctionnant dans le moyen Infrarouge dans la gamme 3-12 µm, i) une diode électroluminescente assistée par une cavité, ii) une source incandescente pouvant être modulée en intensité au-delà de 10 MHz en exploitant les outils de la nanophotonique. Nous présentons la source incandescente dans la suite de ce résumé.

 

Métasurface incandescente émettant dans le moyen infrarouge avec une intensité modulée au-delà de 10 MHz

Afin de contourner l'inertie thermique des sources incabdescentes, nous allons travailler avec une grille de nanofils de faible épaisseur hmetal posée sur un substrat froid.  De cette façon, la dynamique du champ de température est limitée par le temps de diffusion hmetal2/D au travers d'un fil où D est la diffusivité thermique du métal utilisé pour le fil. Pour une épaisseur de 50 nm, on trouve un temps de l'ordre de 0.25 ns. En d'autres termes, le transport de chaleur par conduction thermique est très rapide à l'échelle du nanomètre. Le prix à payer est la difficulté à absorber et émettre efficacement du rayonnement pour un système si mince. Afin de parvenir à une absorption totale qui traduit un couplage optimal entre le fil et le champ électromagnétique incident, nous optimisons l'épaisseur des fils et nous déposons la grille sur un isolant lui-même déposé sur un miroir. Il s'agit d'une configuration connue sous le nom d'écran de Salisbury qui est couramment utilisée pour les bolomètres.

 

Pour mettre en oeuvre ces idées, nous utilisons un miroir d'or déposé sur un substrat de silicium (Fig. 1).  La couche de diélectrique transparente dans le moyen infrarouge est constitué de SiNx.  Ce matériau est choisi car il peut être chauffé à 650°C sans entraîner de délamination. Les fils déposés sont en platine. Encore une fois, le platine tient à haute température et n'entraine pas de délamination sur SiNx. Par ailleurs, le platine ne s'oxyde pas à l'air, une épaisseur de l'ordre de 50 nm permet d'atteindre une absorption totale ;  pour cette épaisseur, il est possible de concevoir une grille ayant une impédance électrique de 50 W; enfin, la résistance du platine dépendant de sa température, il est possible de mesurer en temps réel la température du fil par mesure du courant.

 

Fig. 1 Schéma de l'émetteur. L'encadré représente les fils de platine déposés sur un substrat de SiNx au-dessus d'un miroir d'or.   

 

Résultats principaux

Les principaux résultats de cette partie du projet sont la mise en évidence d'une source incandescente pouvant être modulée au-delà de 10MHz.

La démonstration d'une métasurface incandescente pouvant émettre du rayonnement polarisé circulairement grâce à l'utilisation de fils présentant un caractère chiral.

Production scientifique

 

  1. An incandescent metasurface for quasimonochromatic polarized Mid-Wave Infrared emission modulated beyond 10 MHz, L. Wojszvzyk, A. Nguyen, Anne-Lise Coutrot, C. Zhang, B. Vest, J.J. Greffet, Nat  Commun 12, 1492 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21752-w
  2. Efficiency optimization of mid-infrared incandescent sources with time-varying temperature, A.Nguyen and J.J. Greffet, Opt.Mat.Exp. 12, 225, (2022), https://doi.org/10.1364/OME.443129
  3. Large circular dichroism in the emission of an incandescent metasurface, A. Nguyen, J.-P. Hugonin, A.-L. Coutrot, E. Garcia-Caurel, B. Vest, J.-J. Greffet (submitted for publication)

 

Le projet IRENA est un projet de recherche fondamentale coordonnée par Jean-Jacques Greffet, du Laboratoire Charles Fabry, Institut d'Optique Graduate School. The project rassemble les groupes de Raffaele Colombelli au Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N) et de Jean-François Lampin de l'Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN). Le projet a commencé le 1 mars 2018 et s'est fini le 30 septembre 2022. Il a bénéficié d'une aide de 494 k€ de l'ANR pour un coût total de 1.1 M€.

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