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Publié le 5 novembre 2022

Vers des systèmes photoniques intégrés pour le contrôle du faisceau laser

Les faisceaux laser en espace libre sont d’une importance fondamentale dans de nombreuses technologies, incluant les communications optiques, l’imagerie 3D, les interconnexions et la réalité augmentée. Cependant, les solutions existent qui permettent de générer et de contrôler ces faisceaux laser qui comprennent généralement des assemblages mécaniques, des pièces mobiles et des grands composants optiques. Dans ce scénario, l’utilisation de l’intégration photonique pour réaliser et combiner des composants optiques sur puce à l’échelle du micron offre non seulement d’énormes potentialités pour le développement de systèmes compacts et légers, mais ouvre la porte à des fonctionnalités uniques rendues possibles par les nanotechnologies.

Ici, nous exploitons la nanostructuration du silicium pour démontrer deux éléments clés du système photonique intégré pour le contrôle du faisceau laser. Dans le cadre des premiers travaux, en collaboration avec le Conseil national de recherches Canada et Carleton University (Canada), nous exploitons des métamatériaux pour démontrer un nouveau concept d’antenne nanophotonique où le faisceau émis est élargi au-delà de la limite de diffraction, un aspect crucial lorsque plusieurs antennes sont intégrées dans de grands réseaux. Nous utilisons des nanostructures entrelacées transversalement pour contrôler la phase en champ proche, et un réflecteur Bragg est utilisé à l’extrémité de l’antenne pour accroître l’efficacité et la largeur du faisceau. L’antenne a un encombrement compact de 3,1 μm 1,75 μm et une largeur de faisceau en champ éloigné de 52° x 62°.

Dans le second travail, partiellement soutenu par le projet ERC "BEAMS" et par le réseau RENATECH, nous exploitons une métasurface pour réaliser une lentille intégrée avec un profil de phase quadratique. Ce type de métalentilles offre une fonction d'étalement du point qui reste intacte lors de l’éclairage incliné et peut atteindre un champ de vision complet de 180°. En outre, nous montrons que la métalentille a également un comportement aromatique sur une bande passante de plus de 140 nm. La combinaison de ces métalentilles avec des réseaux d’antennes nanophotoniques pourrait permettre la fabrication des systèmes photonique intégré à haute performance pour le contrôle des faisceaux laser d’espace libre, avec des applications prometteuses dans les lidars multispectraux et les communications optiques basées sur le multiplexage en longueur d’onde.

Paper 1 :
Broadband behavior of quadratic metalenses with a wide field of view
Y. Liu1,2, Y. Liu1, J. Zhang1, X. L. Roux1, E. Cassan1, D. Marris-Morini1, L. Vivien1, C. Alonso-Ramos1, and D. Melati1,
Opt. Express, OE, vol. 30, no. 22, pp. 39860–39867, Oct. 2022,
doi: 10.1364/OE.466321

1 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Université Paris-Saclay, CNRS, 91120 Palaiseau, France
2 Currently with DTU Fotonik, Technical University of Denmark, (Ø)rsteds Plads 343, 2800 Kgs. Lyngby,Denmark

Paper 2 :  
Highly efficient ultra-broad beam silicon nanophotonic antenna based on near-field phase engineering
S. Khajavi1, D. Melati2, P. Cheben3, J. H. Schmid3, C. A. A. Ramos2, and W. N. Ye1,
Sci Rep, vol. 12, no. 1, Art. no. 1, Nov. 2022
doi: 10.1038/s41598-022-23460-x

1 Department of Electronics, Carleton University, 1125 Colonel By Drive, Ottawa, ON, K1S 5B6, Canada
2 Centre for Nanoscience and Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, 10 Bv. Thomas Gobert, 91120, Palaiseau, France
3 Advanced Electronics and Photonics Research Center, National Research Council Canada, 1200 Montreal Road, Ottawa, ON, K1A 0R6, Canada

Contact : Daniele Melati

Figure: Légende de la figure : Systèmes intégrés de contrôle des faisceaux laser. (gauche) L’antenne nanophotonique développée atteint une largeur de faisceau au-delà de la limite de diffraction grâce à des nanostructures sub-longueur d’onde. (droite) Une métalentille quadratique est démontrée pour obtenir un champ de vision de 180° et un comportement achromatique sur une bande passante de plus de 140 nm.