Des chercheurs ont réalisé un dispositif semi-conducteur capable de générer des signaux Brillouin sur mesure dans le régime ultra-élevé 100GHz-THz.
Lorsqu'elle traverse un matériau solide tel que le verre, une onde lumineuse peut déposer une partie de son énergie dans une onde mécanique, ce qui entraîne un changement de couleur de la lumière. Ce procédé appelé «diffusion Brillouin» a d’importantes applications techniques. La transmission optique de données sur longue distance sur Internet, par exemple, repose sur des amplificateurs générant des ondes mécaniques dans une fibre optique via un champ de lumière laser intense. Les fréquences auxquelles les ondes mécaniques peuvent être excitées optiquement, et donc les spectres optiques pouvant être générés par la diffusion Brillouin, sont généralement dictées par les propriétés du matériau. Jusqu'à présent, cela a limité l'éventail d'applications possibles.
Des chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS/Université Paris-Saclay) ont récemment réalisé un micropilier constitué de couches alternées de deux matériaux semi-conducteurs différents. Cela constitue un nouveau dispositif de contrôle de la lumière par le son. Le micropilier peut former un spectre optique presque entièrement à volonté par diffusion Brillouin. Ces travaux1 ont été publiés dans la revue Optica.
L’essentiel de la polyvalence du micropilier provient de sa capacité à contrôler la lumière et le son par des parties distinctes du dispositif. Dans la Centrale de technologie du C2N, les chercheurs ont pu fabriquer des micropiliers dans lesquels les couches internes, d'épaisseurs extrêmement fines de l'ordre de quelques nanomètres, constituent un résonateur pour les ondes sonores à des fréquences particulièrement élevées de 300 GHz. Ce résonateur est intégré entre des couches plus épaisses qui confinent la lumière de manière résonnante. Etant donné que la lumière et le son sont confinés dans la même région spatiale dans les trois dimensions de l'espace, le dispositif est également exceptionnellement efficace en génération de diffusion Brillouin par rapport à sa taille.
Dans leur étude, les chercheurs ont mis au point une nouvelle technique optique permettant de détecter et d’optimiser les spectres de Brillouin générés sous l’effet des effets thermiques. Ils sont cependant certains que l'impact de leur découverte ira bien au-delà : les micropiliers résonateurs peuvent être directement interfacés avec des fibres optiques. Par conséquent, ils constituent une plate-forme prometteuse pour intégrer des sources de lumière Brillouin à des nano-circuits optiques sur puce. Les chercheurs soulignent également que leur dispositif peut être combiné à un média actif laser et pourrait même être amélioré pour atteindre le régime de l’acoustique active, c’est-à-dire l’onde analogique d’un laser.
1 Les recherches ont été financées en partie par l’ERC, l’ANR, le réseau RENATECH et la Fondation de Recherche Allemande DFG.
Références :
Brillouin Scattering in Hybrid Optophononic Bragg Micropillar Resonators at 300 GHz,
M. Esmann1, F. R. Lamberti1, A. Harouri1, L. Lanco1, I. Sagnes1, I. Favero2, G. Aubin1, C. Gomez-Carbonell1, A. Lemaître1, O. Krebs1, P. Senellart1 et N. D. Lanzillotti-Kimura1
Optica - Vol. 6, Issue 7, pp. 854-859 (2019)
DOI: https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000854
1 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (CNRS, Université Paris-Saclay)
2 Matériaux et Phénomènes Quantiques (CNRS Université de Paris)
Contacts :
- Martin Esmann, Post-Doc au C2N
- Daniel Lanzillotti Kimura, chargé de recherche CNRS au C2N
Figure: Cliché en Microscopie électronique à balayage du nouveau dispositif micropilier à diffusion Brillouin. Le diamètre est de 4,5 micromètres. Les fausses couleurs permettent de distinguer la partie interne qui confine les vibrations haute fréquence (en orange) et la partie externe qui confine la lumière (en bleu).
