L'optomécanique intégrée trouve des applications de plus en plus larges, nécessitant un confinement étroit des photons et des phonons dans des circuits photoniques à l'échelle nanométrique. Cependant, la plupart des dispositifs optomécaniques intégrés existants utilisent des matériaux non conventionnels ou des structures suspendues qui empêchent la cointégration avec des technologies photoniques évolutives. Nous présentons ici une nouvelle approche de confinement optomécanique, utilisant la structuration sous-longueur d'onde du silicium pour confiner étroitement les photons proches de l'infrarouge et les phonons de 600 MHz dans des guides d'ondes en silicium non suspendus, entièrement compatibles avec la photonique au silicium standard. En effet, les phonons sont confinés par la réduction de la vitesse dans le silicium et l'interférence destructive du rayonnement vers la gaine, tandis que les photons sont confinés par le guidage de l'indice du métamatériau. Nous démontrons expérimentalement des microrésonateurs optomécaniques avec excitation optique et lecture des modes mécaniques avec un facteur de qualité record de 1120 pour des dispositifs silicium sur isolant, mesuré dans des conditions ambiantes et à température ambiante. Le facteur de qualité optique mesuré est de ∼40 000, et le taux de couplage estimé est de 51 ± 18 kHz. Ces résultats sont la première étape d'une nouvelle génération de dispositifs optomécaniques mis en œuvre avec la technologie photonique au silicium évolutive, ayant un grand potentiel pour des applications dans les communications optiques et sans fil, le radar, la détection, la métrologie et les technologies quantiques.
Les interactions photons-phonons dans les guides d'ondes intégrés sont la promesse de nouvelles fonctions. Un problème central à résoudre dans les dispositifs optomécaniques intégrés est le confinement simultané des photons et des phonons. Plusieurs solutions ont été démontrées, mais elles nécessitent des matériaux non standard ou des géométries suspendues difficiles à intégrer dans des technologies photoniques sur puce évolutives. Nous présentons ici une nouvelle approche pour obtenir un confinement étroit des photons et des phonons, une excitation optique et la lecture des modes mécaniques dans des guides d'ondes SOI sans structures suspendues. La géométrie de guide d'ondes optomécanique proposée comprend un réseau périodique de segments de Si à l'échelle nanométrique. Les effets de diffraction optique sont supprimés en choisissant une période sous-longueur d'onde. En même temps, la radiation du mode acoustique est supprimé par interférence mécanique destructive entre les segments de Si lorsque l'excitation des piliers adjacents est décalée de π, comme prévu par l'effet de réseau d'antennes. Cette stratégie permet un confinement étroit des phonons tout en satisfaisant les conditions de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement pour le couplage optomécanique. Le couplage optomécanique est piloté par la force de pression de radiation exercée par le mode optique électrique transverse (TE), qui peut être améliorée en intensifiant le champ électrique dans les espaces d'air. Nous avons fabriqué le résonateur optomécanique en utilisant le processus photonique standard du silicium basé sur la lithographie par faisceau d'électrons et la gravure sèche. Des mesures expérimentales ont été réalisées à température ambiante et à pression atmosphérique, et la dynamique du couplage optomécanique a été caractérisée par l'enregistrement de la densité spectrale de puissance RF (PSD, power spectral density) de la lumière réfléchie par la cavité. Nous observons plusieurs résonances mécaniques près de 0,66 GHz, avec un facteur de qualité mécanique allant jusqu'à 1120. A partir de la dynamique fréquentielle et de la puissance intracavité, nous avons estimé un taux de couplage de g0/2π = 51 ± 18 kHz entre les modes mécaniques et les modes optiques dans le proche infrarouge. Ces premiers résultats démontrent l'efficacité de l'approche de confinement des phonons. En combinant des concepts issus de la théorie des antennes, de l'ingénierie des métamatériaux et de la nano-optomécanique pour surmonter le défi du confinement photon-phonon dans le SOI, la stratégie proposée ici ouvre un nouveau terrain de jeu pour l'optomécanique intégrée : des dispositifs optomécaniques non suspendus compatibles avec l'optoélectronique en Si.
References :
Genetic optimization of Brillouin scattering gain in subwavelength-structured silicon membrane waveguides
Jianhao Zhang, Paula Nuño Ruano, Xavier Le-Roux, Miguel Montesinos-Ballester, Delphine Marris-Morini, Eric Cassan, Laurent Vivien, Norberto Daniel Lanzillotti-Kimura, and Carlos Alonso Ramos
ACS Photonics 2022 9 (12), 3855-3862
DOI: 10.1021/acsphotonics.2c00791
Affiliation : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, 10 boulevard Thomas Gobert, 91120, Palaiseau, France
Mots-clés : optomécanique, silicium sur isolant, antenne, pression de radiation, cavité
Contact : Carlos Alonso Ramos
Fig. 1. (a) Vue schématique du guide d'ondes optomécanique en silicium proposé exploitant la structuration périodique sous-longueur d'onde. Modes optiques (b) et mécaniques (c) calculés du guide d'ondes en silicium sous-longueur d'onde.
