Réseaux résonnants en cavité pour l'Exaltation de Signaux en Optique Non linéaire – RESON

La nanophotonique non-linéaire connait depuis une quinzaine d’années un essor important permis par les progrès tant en modélisation, en fabrication de composants, que par le développement continu des sources lasers et des matériaux non-linéaires. Les applications vont des lasers à l'information quantique en passant par la spectroscopie, la microscopie haute résolution, avec un potentiel pour la manipulation et la fabrication de nano-objets.
Deux axes de recherche majeurs sont actuellement explorés afin de palier à la faiblesse des susceptibilités non-linéaires des matériaux. D’un côté, les guides d’ondes optiques apportent des solutions pour réaliser l’accord de phase nécessaire entre la ou les ondes pompes et le signal généré afin que l’interaction non-linéaire s’effectue constructivement tout au long de la distance de propagation des modes guidés. Cependant, la longueur de propagation nécessaire limite la compacité des circuits, et la nécessité d’accord de phase en limite la versatilité. Le couplage et découplage vers l’espace libre des modes guidés se fait grâce à un réseau coupleur ou réseau résonnant. Ce dernier peut être optimisé pour être résonnant à la fois aux fréquences de pompe et de signal et permettre d’accroitre significativement l’efficacité de conversion.
D’un autre côté, les nanoparticules et les cavités à cristaux photoniques exploitent des modes présentant de longs temps de vie pour augmenter la durée d’interaction non-linéaire. Mais leurs faibles volumes modaux limitent le volume d’interaction non-linéaire et rendent les conversions non-linéaires très sensibles aux défauts de fabrication.
C’est dans ce contexte que nous souhaitons explorer les bénéfices que pourraient apporter des structures de type CRIGF (cavity resonator integrated grating filters), structures innovantes formées d’un réseau résonnant de quelques dizaines de périodes, flanqué de deux miroirs de Bragg (quelques centaines de périodes de chaque côté), à mi-chemin entre les réseaux résonnants et les cavités à cristal photonique. Les modes qui se forment dans les CRIGF sont une combinaison des modes guidés à perte siégeant dans les réseaux résonnants et des modes de Fabry-Pérot de la cavité formée par les miroirs de Bragg. Ils présentent des résonances à facteur de qualité élevé (supérieur à 1000), excitables efficacement avec un faisceau incident focalisé sur le réseau résonnant, et dont le volume modal (~15 longueurs d’onde au cube) est largement supérieur à celui des cavités à cristal photonique. Afin d’exploiter au maximum le potentiel de ces composants, nous les fabriquerons sur une plateforme de niobate de lithium, profitant ainsi de susceptibilités non-linéaires parmi les plus élevées (de 30 pm/V) et de pertes de propagation très faibles (0.027 dB/cm).
La conception de ces dispositifs nécessite le développement de modèles numériques et théoriques capables de traiter de manière fiable et efficace ces composants particulièrement exigeants, de par leur longueur (plusieurs centaines de longueurs d’onde), leur structuration à l’échelle de la longueur d’onde et leur caractère fortement résonnant. Ces développements théoriques seront couplés et validés à l’aide de mesures expérimentales effectuées sur des CRIGF non-linéaires à simple cavité puis à cavités multiples réalisés sur niobate de lithium au sein de ce projet. Nous espérons aboutir à la première démonstration expérimentale de génération de signaux non-linéaires d’ordre 2 dans un CRIGF avec un gain d’au moins un ordre de grandeur par rapport à l’état de l’art.
Pour aller plus loin, nous voulons proposer de nouvelles configurations de CRIGF à cavités multiples couplées afin de dépasser ces gains de conversion et dans un but d’explorer le potentiel de ces configurations. Les possibilités de contrôle de la conversion non-linéaire sur des dispositifs munis d’électrodes seront aussi testées pour sonder leur potentiel d’intégration sur des plateformes photoniques non-linéaires avancées.