Systèmes électro-optiques sub longueur d'onde – SWEET

La modulation rapide du front d’onde d’un faisceau optique est un élément clé des systèmes photoniques du futur, avec de nombreuses applications potentielles. Les plus immédiates sont les systèmes de type LIDAR où cette modulation rapide permettra de contrôler le balayage de la scène observée. Le projet SWEET propose de démontrer l’intérêt des métasurfaces actives transparentes à base de GaN pour ce type d’application. La gamme spectrale visible visée par le projet ouvre de nombreuses voies d’applications supplémentaires comme la microscopie confocale à balayage ou l’affichage et la projection dans le visible.
Pour atteindre son but, le projet SWEET adressera quatre objectifs principaux : l’optimisation de la conception de structures complexes prenant en compte la robustesse face aux imperfections de fabrication, la démonstration de modulation d’indice rapide dans des nanostructures, la réalisation de composants permettant la commande active de métasurfaces, et enfin l’utilisation de la transparence pour permettre un empilement de fonctions optiques actives.
Les structures étudiées seront composées de réseaux 1D interdigités de périodes sous-longueur d’onde en GaN. Deux voies seront étudiées pour réaliser une modulation d’indice commandable électriquement permettant de faire varier la phase du faisceau le long du réseau, entre 0 et 2 pi?:
- Une voie à forte variation d’indice de réfraction reposant sur l’imprégnation de cristaux liquides de type nématique entre les dents du réseau en GaN dopé de type n jouant le rôle d’électrode. L’extrême petitesse de l’entrefer entre les dents doit permettre une montée en fréquence au-delà de celle des systèmes classiques utilisant des cristaux liquides;
- Une voie à faible variation d’indice de réfraction exploitant l’effet Stark à Confinement Quantique obtenu par ingénierie de puits quantiques. Les fréquences de modulation atteignables seront très élevées (GHz), mais la très faible variation d’indice obtenue devra être compensée par l’utilisation de résonateurs optiques pour atteindre les 2 pi de variation de phase nécessaires.
A partir de ces composants élémentaires, des métasurfaces actives interconnectées seront réalisées. Nous proposons d’exploiter la technologie de nano-imprint pour fabriquer efficacement et de manière répétable ces composants nano-structurés sur de grandes surfaces actives (~ 1mm²). Le premier démonstrateur sera un modulateur de phase 1D à cristaux liquide en transmission. Le second démonstrateur, qui profitera des avancées technologiques du premier notamment en lithographie, sera un modulateur de phase 1D à base de puits quantiques GaN opérant en réflexion. Enfin, l’empilement des deux modulateurs précédents, avec des directions de balayage croisées, permettra de réaliser un modulateur de phase 2D. Ce balayage 2D du faisceau sera testé pour réaliser la fonction LIDAR dont on évaluera les performances.
Le consortium regroupe trois laboratoires publics et une PME deeptech, experts reconnus par la communauté et ayant un certain nombre de premières mondiales à leur actif. Les domaines d’expertise sont : la nano-fabrication (LAAS, NAPA) avec l’implication d’une grande centrale techno du 1er cercle, les métasurfaces (CRHEA, LAAS), la conception de systèmes nanophotoniques (INRIA,CRHEA), ainsi que la croissance de nitrures, au cœur du projet (CRHEA).