Nanostructures diélectriques à haut indice pour le contrôle de l'émission et de la propagation de la lumière – HiLight

Face à l’émergence de la société du numérique, un défi pour les technologies de l’information et de la communication est le développement de nouveaux dispositifs photoniques intégrés associant haut débit et basse consommation. Dans ce contexte, la photonique sur silicium s’est révélée être très efficace car elle permet l’implémentation directe des composants optiques (guide d’onde, coupleur, modulateur, etc.) avec les composants électroniques qui utilisent la même technologie CMOS. Cependant, la production et l’intégration de sources lumineuses et de détecteurs efficaces à l’échelle nanométrique fait encore défaut.
Le projet HiLight a pour objectif de réaliser des sources de lumière via des émetteurs quantiques couplés à des nanostructures à haut indice de réfraction, fonctionnant à température ambiante, et opérationnelle sur la gamme spectrale du visible jusqu’au proche infra-rouge. Pour cela, le consortium a identifié trois défis scientifiques et techniques à traiter : l’exaltation du taux émission des émetteurs (effet Purcell), la directivité de l’émission dans une direction choisie, et le couplage avec des guides d’ondes pour la propagation ou le contrôle de l’excitation des émetteurs, idéalement sur un large spectre.
La méthodologie du projet HiLight pour relever ces trois défis est la suivante :
- Etude de nano-antennes diélectriques à fort indice de réfraction couplées à des émetteurs quantiques.
La conceptualisation de nanostructures en silicium (ou germanium) sera réalisée dans le but de contrôler la directivité grâce à des interférences de type Fano entre les larges résonances dipolaires et celles d’ordres supérieures, plus fines. Elles seront ensuite fabriquées par lithographie électronique et gravure ionique réactive. Grâce à son fort indice de réfraction et sa faible absorption dans le visible, le silicium est un très bon candidat pour la production de systèmes à faibles pertes.
- Contrôle sélectif du temps de relaxation du rayonnement dipolaire électrique et magnétique.
La densité d’états optique locale (LDOS) est un paramètre clé dans le processus d’exaltation de l’effet Purcell, et le contrôle de cette LDOS est directement lié à la conception de la nanostructure. Dans les nanostructures diélectriques, le champ magnétique peut être fortement exalté, bien plus que le champ électrique. Ainsi des ions terres rares possédant des transitions dipolaires magnétiques de force équivalente aux transitions dipolaires électriques seront utilisées comme émetteurs afin d’obtenir un effet Purcell magnétique prévalent sur l’effet Purcell électrique.
- Influence de la position et de l’orientation des dipôles émetteurs par rapport à la nanoantenne.
Les simulations numériques montrent qu’un positionnement et une orientation spécifiques permettent d’optimiser les taux d’émission et la directivité. Expérimentalement, des émetteurs tels que les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) seront utilisés. En effet, les TMD possèdent des excitons dans et hors du plan bien définis et spectralement séparés, et sont compatibles avec les dimensions d’une nanoantenne.
- Le couplage à des guides d’onde pour une propagation dépendante de la longueur d’onde ou pour contrôler à distance l’excitation des émetteurs via ces guides d’onde.
Le projet HiLight s'appuie sur un consortium de six laboratoires qui couvrent la production de substrats spécifiques (silicium ou germanium sur Silice), la fabrication de nanostructures sur ces substrats, le dépôt des émetteurs quantiques, et enfin l’étude des propriétés optiques pour la réalisation de démonstrateurs résultant avancées dans chacun des défis présentés précédemment. Le design des nano-antennes et leur couplage avec les émetteurs (agrégats de terres rares, centres colorés NV dans les nano-diamants, monocouches de TMD) sera d’abord étudié par simulations numériques qui fourniront des géométries pertinentes pour les études expérimentales d’optimisation de nanosources optiques.