L’interaction Brillouin sur puce a un grand potentiel pour des applications dans les communications, la détection et les technologies quantiques. Le confinement simultané des photons proches de l'infrarouge et des phonons gigahertz dans les guides d'ondes intégrés reste un défi majeur pour obtenir un fort gain Brillouin sur puce. Nous proposons ici une nouvelle stratégie pour exploiter le gain de Brillouin dans les guides d'ondes en silicium, basée sur la combinaison de l'optimisation par algorithme génétique et de la structuration périodique sous-longueur d'onde pour créer des modes photoniques et phononiques simultanément. La géométrie proposée est composée d'un cœur de guide d'ondes et d'un réseau de bras d'ancrage avec une période sub-longueur d'onde nécessitant une seule étape de gravure. La géométrie du guide d'ondes est optimisée pour maximiser le gain Brillouin à l'aide d'un algorithme génétique multi-physique. Nos résultats de simulation prédisent un gain Brillouin remarquable dépassant 3300 W-1m-1, pour une fréquence mécanique proche de 15 GHz.
La diffusion Brillouin (BS, Brillouin Scattering) désigne l'interaction non linéaire entre les champs optiques et mécaniques à l'intérieur d'un matériau. Dans les guides d'ondes en silicium à l'échelle nanométrique, la diffusion Brillouin est médiée non seulement par des forces électrostrictives, mais aussi par une forte pression de radiation aux limites de la structure. Un couplage optomécanique efficace nécessite le confinement simultané des modes optiques et mécaniques, ce qui est difficile dans les guides d'ondes en silicium sur isolant (SOI) en raison d'une forte fuite de phonons vers la gaine en silice. Cette limitation peut être contournée en isolant le cœur du guide d'ondes en silicium en retirant la sous-gaine en silice. La diffusion Brillouin avant (FBS, Forward Brillouin Scattering) repose sur des photons à propagation longitudinale et des phonons à propagation transversale. Par conséquent, le contrôle indépendant des modes photoniques et phononiques est réalisé par l'ingénierie des membranes de silicium longitudinales et transversales sous-longueur d'onde. En général, les structures rapportées précédemment nécessitent plusieurs étapes de gravure du cœur en silicium pour confiner efficacement le mode mécanique, ce qui complique la fabrication du dispositif. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle membrane de silicium structurée sous-longueur d'onde qui ne nécessite qu'une seule étape de gravure du silicium. Notre structure comprend une guide centrale suspendue ancrée aux plaques de silicium latérales par un réseau symétrique de bras avec une période longitudinale sous-longueur d'onde. Nous développons une méthode d'optimisation pour concevoir la géométrie du guide d'ondes, en combinant des simulations optiques et mécaniques multi-physiques avec un algorithme génétique (GA) capable de gérer de nombreux paramètres. Le processus d'optimisation est effectué pour une géométrie 2D équivalente afin de réduire les ressources de calcul. Nous utilisons le logiciel COMSOL Multiphysics pour les simulations optomécaniques, en considérant les modes optiques polarisés transversalement-électrique (TE) et les modes mécaniques dans le plan. Sur la base des calculs de couplage optomécanique, l'optimisation GA est utilisée pour trouver la conception optimale des bras latéraux d'ancrage. Des simulations 3D complètes sont réalisées pour vérifier les performances de la géométrie optimisée, et un gain Brillouin de 3310 W-1m-1 est obtenu pour un mode mécanique avec une fréquence de 14,579 GHz. La structure proposée présente une tolérance robuste aux imperfections de fabrication telles que les erreurs de sous ou sur-gravure ou de couture.
Références
Genetic optimization of Brillouin scattering gain in subwavelength-structured silicon membrane waveguides
Paula Nuño Ruano, Jianhao Zhang, Daniele Melati, David González-Andrade, Xavier Le Roux, Eric Cassan, Delphine Marris-Morini, Laurent Vivien, Norberto Daniel Lanzillotti-Kimura, Carlos Alonso-Ramos
Optics & Laser Technology 161, p. 109130 (2023)
DOI: 10.1016/j.optlastec.2023.109130
Affiliation : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, 10 boulevard Thomas Gobert, 91120, Palaiseau, France
Mots-clés : Diffusion de Brillouin ; Sous-longueur d'onde ; Optimisation génétique
Contact : Carlos Alonso Ramos
Fig. 1. Géométrie proposée pour la guide d'ondes optomécanique. Dans l'encart, les différentes sections des bras d'ancrage sont numérotées de 1 à 5. La largeur du cœur du guide d'ondes (w_g=400 nm), la période (Λ=300 nm), et les dimensions de la section la plus externe (L_5=50 nm, W_5=500 nm) restent fixes tout au long du processus d'optimisation. L'épaisseur de la plaque de silicium est de t=220 nm.
