Détecteurs Optomécaniques THz intégrés avec nanolasers à Germanium compatibles CMOS – TIGER

L'originalité de notre approche réside dans la convergence des deux domaines de recherche, les méta-matériaux optomécaniques THz et la photonique silicium basée sur germanium contraint, qui n'avait jamais été envisagé auparavant pour la gamme de fréquences THz. Nos dispositifs bénéficient d’une importante expertise provenant des trois domaines physiques différents: (1) métamatériaux, (2) optomécanique et (3) physique des lasers. Dans nos structures, un résonateur à méta-atome capte le rayonnement THz, en créant un fort champ électromagnétique confiné aux volumes ultra-sub-longueur d'onde. Le champ confiné induit une vibration mécanique au sein d'un laser nanométrique à cristal photonique germanium précontraint. Le mouvement mécanique provoque des forts changements dans les caractéristiques de sortie du laser à germanium (par exemple position de longueur d'onde maximale, intensité), qui, à leur tour, fournissent des informations détaillées sur le rayonnement THz entrant. La sortie du laser au germanium peut également alimenter des photodétecteurs intégrés qui génèrent des signaux électriques. Comme l'élément mécanique est typiquement de dimensions nanométriques, sa réponse en fréquence est dans la gamme des MHz, ainsi beaucoup plus rapide que tous les détecteurs THz existants fonctionnant à température ambiante. De plus, les dispositifs au germanium étant entièrement compatibles avec la technologie à base de silicium, nos détecteurs THz peuvent être naturellement intégrés dans les plates-formes CMOS, conduisant à des détecteurs THz compacts et fonctionnait à température ambiante.

La première étape du projet était de valider et d'optimiser les nanorésonateurs mécaniques à base de Ge, qui constituaient une partie cruciale des détecteurs THz complets. À cette fin, NTU a fabriqué des structures à nano-poutres caractérisées au LPENS par spectroscopie de mouvement brownien. Le retour d'expérience de ces mesures a été utilisé pour optimiser la géométrie et la procédure de fabrication des échantillons. Après plusieurs itérations, nous avons obtenu des nanorésonateurs Ge qui avaient des fréquences de résonance typiques dans la plage de 1 à 10 MHz et des facteurs de qualité beaucoup plus élevés, jusqu'à Q ~ 20000 que ce qui était précédemment observé avec des oscillateurs de GaAs de géométrie similaire.
Parallèlement à l'optimisation des nano-poutres Ge, LPENS a développé une géométrie de dispositif dans laquelle le nano-poutre de semi-conducteur est entraîné par un voltage RF appliqué sur des électrodes latérales. Il a été montré que les oscillations mécaniques peuvent être très efficacement excitées par une tension RF modérée (jusqu'à 10V). De plus, le nanombeam peut également être entraîné dans un régime hautement non linéaire (régime Duffin), ce qui a ouvert de nouvelles possibilités de détection THz qui n'étaient pas auparavant prévues par le projet:
-Nous construisons un montage expérimental qui a permis de mesurer les deux quadratures de l'oscillateur mécanique forcé. Lorsque l'oscillateur est entraîné dans le régime Duffin, le bruit dans une quadrature est réduit au détriment de l'autre (phénomène très similaire au «squeezing» en optique quantique). Ce phénomène sera exploré pour augmenter la sensibilité de nos futurs détecteurs THz.
- En injectant un petit signal harmonique RF au sommet de la tension RF d'attaque, nous avons observé une formation de peignes de fréquence autour de l'oscillation mécanique principale. Cette méthode fournit un moyen actif de contrôler le spectre mécanique qui peut également être utile pour le détecteur THz.

Notre détecteur optomécanique THz CMOS compatible intégré à un laser au germanium précontraint permettrait la création d'un laboratoire sur puce, ultra-compact et intégrable, et également compatible avec la production en masse en utilisant des processus CMOS traditionnels. Une telle puce pourra servir dans des capteurs biologiques portables et capteurs chimiques des composées toxiques. La production en masse et la compatibilité avec les technologies sur silicium qui sont extrêmement matures permettrons une réduction des couts de production, permettant ainsi à la technologie THz d'être disponible pour un large éventail d'utilisateurs finaux , et même, dans une avenir proche, l’intégration dans des circuits multi-projet.

Optomechanical temporal sampling of THz signals at room temperature
Baptiste Chomet et al., en preparation (2020)

Le domaine des fréquences térahertz (THz) a une myriade d'applications potentielles telles que les communications sans fil à très haut débit, l’imagerie liée à la sécurité et la détection des agents biochimiques. En particulier, les capteurs biochimiques fonctionnant dans la région spectrale THz (1-20 THz) pourrait devenir une technologie de pointe indispensable. En effet, les transitions vibrationnelles des molécules sont deux à trois ordres de grandeur plus fortes dans le domaine spectral THz que dans le domaine visible, permettant d’obtenir des empreintes spectrales très distincts des espèces moléculaires sondées. Un important verrou technologique à lever afin de réaliser ces applications est de combler l'absence d'un détecteur THz qui est à la fois rapide, sensible, compact et fonctionnant à température ambiante.

Le projet TIGER vise à créer une nouvelle génération de détecteurs optomécaniques THz, intégrés avec des nanolasers de germanium et compatibles avec la technologie CMOS. L'originalité de notre approche réside dans la convergence des deux domaines de recherche, les méta-matériaux optomécaniques THz et la photonique silicium basée sur germanium contraint, qui n'avait jamais été envisagé auparavant pour la gamme de fréquences THz. Nos dispositifs bénéficient d’une importante expertise provenant des trois domaines physiques différents: (1) métamatériaux, (2) optomécanique et (3) physique des lasers. Dans nos structures, un résonateur à méta-atome capte le rayonnement THz, en créant un fort champ électromagnétique confiné aux volumes ultra-sub-longueur d'onde. Le champ confiné induit une vibration mécanique au sein d'un laser nanométrique à cristal photonique germanium précontraint. Le mouvement mécanique provoque des forts changements dans les caractéristiques de sortie du laser à germanium (par exemple position de longueur d'onde maximale, intensité), qui, à leur tour, fournissent des informations détaillées sur le rayonnement THz entrant. La sortie du laser au germanium peut également alimenter des photodétecteurs intégrés qui génèrent des signaux électriques. Comme l'élément mécanique est typiquement de dimensions nanométriques, sa réponse en fréquence est dans la gamme des MHz, ainsi beaucoup plus rapide que tous les détecteurs THz existants fonctionnant à température ambiante. De plus, les dispositifs au germanium étant entièrement compatibles avec la technologie à base de silicium, nos détecteurs THz peuvent être naturellement intégrés dans les plates-formes CMOS, conduisant à des détecteurs THz compacts et fonctionnait à température ambiante.