Émetteurs térahertz spintroniques intégrés sur nitrure de silicium (SPINCHIP) – SPINCHIP

L'instrumentation hyperfréquence est au cœur des communications, de l'informatique, de la métrologie ou de la télémétrie. Cependant, elle dépend de la disponibilité de sources micro-ondes largement accordables, à largeur de raie étroite et lumineuses pour exciter un circuit à haute fréquence ou en détecter sa réponse par techniques hétérodynes. Des fréquences d'horloge plus élevées ou des débits de données plus importants, sont traditionnellement obtenus par parallélisation (multiplexage): l’ information est codée dans les différents degrés de liberté de l’onde porteuse (spatial, fréquentiel, temporel). Ces capacités de multiplexage s'épuisant peu à peu, il existe un fort intérêt pour l'augmentation des débits en augmentant directement la fréquence de la porteuse, jusqu'à la gamme térahertz (1012 Hz). Cependant, atteindre celle-ci par techniques entièrement électroniques dans un dispositif compact et évolutif est très difficile, présentant des lacunes importantes, par exemple bande passante relativement étroite, constantes de temps longues et faible efficacité.
Un domaine peu exploré est celui des sources THz intégrées réalisées au moyen de systèmes hybrides photoniques-spintroniques. Il a été démontré qu’une excitation pulsée d’un empilement nanométrique de couches ferromagnétiques et métaux normaux émet un rayonnement THz efficace et très large bande (plus que 2 décades), et que le mécanisme sous-jacent est largement indépendant de la longueur d'onde de pompe. Ceci les rend compatibles avec toute plateforme photonique intégrée qui, grâce à la transduction optique-THz, traduirait les avantages de la photonique (routage, confinement, filtrage, multiplexage) directement dans le domaine THz. Les couches “nues” ont fait l'objet de nombreuses recherches ces dernières années, mais le domaine des émetteurs spintroniques intégrés reste largement inexploré.
Ici on étudiera les puces hybrides photoniques-spintroniques sur nitrure de silicium, une plateforme photonique intégrée offrant des pertes très faibles, absorption à deux photons négligeable, non-linéarité optique ?(3), dispersion de vitesse de groupe positive et négative à la demande par conception des guides et de résonateurs optiques à haute finesse, dans le but de développer des sources THz compactes et efficaces, pulsé et continu dans la bande 0.1-10THz. On exploitera les avantages de la photonique dans le traitement des signaux, le routage, le filtrage et le multiplexage avec ces objectifs:
1. Étudier le fonctionnement fondamental et les facteurs de mérite des dispositifs spintroniques intégrés sur puce: paramètres géométriques optimaux, efficacité de génération, bruit, largeur de raie, largeur de bande, dispersion, non-linéarités, guidage et confinement des ondes optiques et THz.
2. Fabrication de dispositifs hybrides photonique-spintronique.
3. Démonstration de génération THz CW et pulsé à partir de circuits en nitrure de silicium.
4. Démonstration de synthétiseur d'ondes millimétriques et THz reconfigurable sur puce.
L'objectif ultime est d'ajouter des peignes de Kerr à la palette spintronique afin de parvenir à une miniaturisation complète. CST Microwave sera utilisé pour la conception des circuits intégrés, complété de modèles analytiques pour extraire les limites fondamentales de l'efficacité de conversion. On construira des manip de mesure nano-spin-photoniques spécialisés. Le projet fournira des connaissances innovantes sur la physique d’émetteurs spintroniques impactant les domaines connexes de l'état solide, de l'informatique, de la fabrication et du magnétisme, et offrira une formation inestimable aux étudiants de tous niveaux. Le projet est conçu pour tirer parti de l'expertise en nanophotonique intégrée et THz du groupe Benea-Chelmus, et en spintronique et métrologie THz du groupe Vanwolleghem à l'IEMN. Le projet est strictement distinct de tout autre projet en cours, dure 48 mois et le financement total demandé est de 519360 CHF (CH) et 309837€ (FR).