Circuits phononiques non-linéaires intégrés avec interface optomécanique – INPhO

Le projet INPhO a pour objectif la conception, la fabrication et la validation de circuits phononiques densément intégrés et pourvus d'une interface optomomécanique pour la réalisation de dispositifs de traitement de l'information par interaction paramétrique à des fréquences de l'ordre du gigahertz.

A cette fin, nous nous appuierons sur une plateforme expérimentale hybride inédite, associant ondes élastiques de surface (OAS) hautes fréquences et nanorésonateurs mécaniques non-linéaires à des boîtes quantiques (quantum dots - QD) semiconductrices épitaxiées, qui constituent sans nul doute les nanosystèmes optiques actifs les plus aboutis à l’heure actuelle.

INPhO oeuvrera au développement d'outils numériques et expérimentaux permettant d'assurer (i) une étude complète de l'interaction OAS - nanorésonateurs mécaniques et (ii) d'optimiser le couplage de ces systèmes mécaniques et élastiques à des QDs en vue de concevoir des circuits phononiques non-linéaires combinés à une lecture optique.

Ces interconnexions photoniques-phononiques non-linéaires sur puce seront employées pour élever le concept de logique paramétrique nanomécanique au domaine fréquentiel du gigahertz. Le programme de recherche du projet INPhO s'attachera en particulier à exploiter les interactions modales mécaniques non-linéaires pour implémenter des schémas de contrôle paramétrique et démontrer la possibilité de réaliser des opérations d'inversions de bits logiques qui constitueront une première démonstration de principe.

L'objectif final du projet sera de démontrer la possibilité d'étendre ce concept à des dispositifs plus complexes et à grande échelle, présentant une architecture phononique à multi-résonateurs. Les dispositifs visés intégreront des éléments phoNoniques non-linéaires à une circuiterie phoTonique permettant une lecture optomécanique par couplage aux QDs. Ils illustreront le potentiel offert par cette plateforme hybride pour la réalisation de systèmes radiofréquence-vers-optique reposant sur des circuits logiques phononiques.

La mise en œuvre de ces circuits phononiques non-linéaires à interface optomécanique reposera sur la complémentarité des savoirs-faire des deux partenaires du projet, respectivement basés en France et en Allemagne. WWU contribuera au projet au travers de sa parfaite maîtrise des interactions OAS-QD et des technologies d’intégration hétérogène de boîtes quantiques III-V sur substats piézoélectriques conventionnels. FEMTO-ST apporte sa solide expérience dans le domaine de la conception et de la fabrication de dispositifs phononiques à OAS permettant de contrôler la propagation et la localisation des ondes sur des substrats piézoélectriques fortement couplés. De cette complémentarité résulte la possibilité de disposer d’une plateforme sans précédent, présentant une combinaison de propriétés phononiques et optomécaniques exceptionnelles, totalement hors de portée d’une approche monolithique conventionnelle.

Au travers de ces systèmes hybrides, INPhO entend initier de nouveaux paradigmes dans le domaine du traitement électronique-photonique-phononique de l’information classique et des télécommunications. La plateforme développée dans le contexte de ce projet, combinant des éléments de circuits phononiques non-linéaires à des émetteurs quantiques à l’état de l’art, ouvre également des perspectives à plus long terme pour les technologies quantiques hybrides.