Laser Brillouin basé sur des guides optomécaniques silicium sub-longueurs d’onde – BRIGHT

Les principaux objectifs pour les 18 premiers mois du projet sont les suivants :
- Explorer les degrés de liberté libérés par la nanostructuration sub-longueur d'onde pour développer des guides d'ondes Si actifs Brillouin permettant une adaptation flexible des modes photoniques et phononiques. L'objectif de cette tâche est de développer des guides d'ondes à membrane en Si qui permettent une faible perte de propagation des modes optiques et un confinement étroit des modes phononiques (maximisant la durée de vie des phonons). Différentes géométries de guides d'ondes seront conçues en tenant compte des tailles minimales typiques des éléments et des erreurs de fabrication. La perte de propagation et la stabilité mécanique des géométries proposées seront comparées expérimentalement, fournissant des informations clés pour l'optimisation de la conception.
Cette tâche partira des concepts de guides d'ondes à membrane nanostructurée récemment développés par le coordinateur scientifique pour des applications dans l'infrarouge moyen. Ces guides d'ondes seront utilisés pour le développement précoce de dispositifs passifs dans la tâche 1.2. La géométrie des guides d'ondes sera adaptée pour confiner efficacement les modes photoniques et phononiques.

-Développement d'un modèle théâtral complet pour Brillouin dans les guides d'ondes sub-longueur d'onde : nous avons développé un modèle complet permettant un calcul précis du gain Brillouin dans les structures 3D. Les résultats sont validés avec les données expérimentales de la littérature.
-Conception de structures sub-longueur d'onde optimisées pour le gain Brillouin : Nous avons développé de nouvelles stratégies de conception permettant l'optimisation du gain Brillouin dans les structures sub-longueur d'onde. Résultats publiés dans Optics Letters 2019.
-Démonstration d'une fréquence mécanique record dans des résonateurs optomécaniques en silicium : Sur la base des modèles approfondis et des stratégies de conception développés pour les structures sub-longueur d'onde, nous avons fabriqué des résonateurs optomécaniques en Si en salle blanche C2N, montrant des fréquences mécaniques record. Préprint dans arXiv, soumission en préparation pour ACS Photonics.

Au cours des 18 premiers mois du projet, nous avons exploité l'ingénierie sub-longueur d'onde pour concevoir des guides d'ondes Brillouin à haute efficacité et démontrer expérimentalement des résonateurs optomécaniques haute fréquence record dans le silicium. Ces résultats serviront de base aux travaux du reste du projet, visant à optimiser davantage le couplage Brillouin optomécanique pour démontrer l'effet laser.

1. J. Zhang, O. Ortiz, X. Le Roux, E. Cassan, L. Vivien, D. Marris-Morini, N. D. Lanzillotti-Kimura, C. Alonso-Ramos, “Subwavelength engineering for Brillouin gain optimization in silicon optomechanical waveguides,” Opt. Lett. 45, 3717, (2020).
2. T. T. D. Dinh, J. Zhang, D. Oser, X. Le Roux, M. Montesinos, C. Lafforgue, F. Mazeas, D. Pérez-Galacho, D. Benedikovic, E. Durán-Valdeiglesias, V. Vakarin, O. Ortiz, A. Rodirguez, O. Alibart, P. Cheben, S. Tanzilli, L. Labonté, D. Marris-Morini, E. Cassan, D. Kimura, L. Vivien, C. Alonso-Ramos, “Harnessing subwavelength nanostructuration to control the propagation of light and sound in silicon waveguides,” International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), May. 2020, Online (Invited).

Le projet BRIGHT porte sur l’étude et la démonstration de structures photonique silicium aux propriétés optomécaniques remarquables, permettant d’augmenter de plus de 2 ordres de grandeur l’efficacité d’interaction photon-phonon dans les guides d’onde. Les résultats obtenus permettront la conception de sources optiques aux propriétés remarquables. En effet, la diffusion Brillouin stimulée (SBS) a un immense potentiel pour le traitement photo-acoustique du signal surpassant les approches électro-optiques et tout-optiques conventionnelles, par exemple en terme de régénération de signal optique à faibre bruit. Bien que l’effet SBS ait été largement développé dans les fibres optiques, son utilisation en optique intégrée et plus particulièrement en photonique silicium présente des verrous fondamentaux liés aux propriétés mécaniques des guides silicium sur isolant (SOI) . Ce n’est que très récemment qu’une nouvelle génération de guides d’onde silicium a permis les démonstrations (i) de l’effet SBS surpassant les effets Kerr et Raman (2013), (ii) d’une bande-gap complète pour les phonons (2014), (iii) d’une amplification net (2016) et (iv) du premier laser Brillouin sur la plateforme silicium (2017). Cette dernière démonstration, bien que très prometteuse, nécessite des guides d’onde de plusieurs centimètres de long, qui limite son impact. La principale limitation porte sur le faible gain dû à la difficulté d’avoir un bon compromis entre le temps de vie des photons et un bon recouvrement photon-phonon dans les structures photoniques silicium.
Dans ce contexte, le projet BRIGHT est basé sur une approche innovante pour la réalisation de laser Brillouin silicium. L’idée originale porte sur l’exploitation des degrés de liberté offerts par les structures sub-longueurs d’onde pour le contrôle des propriétés de propagation des modes photoniques et phononiques permettant de maximiser l’effet Brillouin. Cette approche donne accès à un nouveau champ d’étude autour du traitement du signal sur puce à base de l’effet Brillouin et sur les interactions entre photons et phonons. L’objectif final du projet est la démonstration d’un laser Brillouin compact et efficace sur la plateforme photonique silicium. Ce projet pluridisciplinaire permettra de réelles percées technologiques et scientifiques sur l’effet Brillouin silicium en alliant de la photonique, de l’optomécanique et de la nanotechnologie.
Le projet BRIGHT sera un tremplin pour le coordinateur, Carlos Alonso-Ramos (CRCN depuis octobre 2017), afin de prendre son indépendance scientifique sur un sujet émergeant à fort impact.