Métamatériaux optomécaniques sur silicium pour les dispositifs à base de Brillouin

Optomechanical silicon metamaterials for Brillouin-based devices

• Auteur / Autrice : Paula Nuño ruano
• Direction : Carlos Alonso-Ramos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 25/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Mussot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Marpaung, Birgit Stiller, Daniel Navarro-Urrios
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Marpaung, Birgit Stiller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet Brillouin

Optomécanique

Circuits intégrés photoniques

Silicium

Photonique

Mots clés libres

Opto-Mécanique

Photonique silicium

Diffusion Brillouin stimulée

Photonique sous-Longueur d'onde

Optomechanics

Silicon photonics

Stimulated Brillouin Scattering

Subwavelength photonics

Résumé

La photonique au silicium suscite un immense intérêt dans la recherche fondamentale et le développement technologique et commercial en raison de sa compatibilité avec les techniques de fabrication et de traitement standard de l'industrie électronique. Traditionnellement développée pour les applications de télécommunication de données, la photonique au silicium explore aujourd'hui d'autres domaines, tels que le traitement des signaux sur puce, la détection, les communications entre la puce et l'espace libre, et même l'informatique quantiques. Ce large éventail d'applications est possible grâce à de nouveaux phénomènes physiques. Dans ce contexte, la diffusion Brillouin apparaît comme un outil prometteur pour la prochaine génération de circuits intégrés. Cette interaction non linéaire entre la lumière et les modes mécaniques d'une structure couple des photons optiques (dans le régime THz) avec des phonons MHz et GHz, ce qui permet une conversion de fréquence très efficace. Cette propriété est essentielle pour le traitement des signaux micro-ondes et la transduction quantique entre les qubits supraconducteurs et les fibres optiques. Ces deux technologies devraient révolutionner les télécommunications au cours des prochaines décennies. Depuis le début des années 2000, de nouvelles conceptions intégrées permettant un fort couplage optomécanique ont fait l'objet d'une recherche active. En raison de leur petite taille, du confinement étroit de la lumière et de l'interaction optique importante avec les limites de la structure, ces nouvelles géométries promettent une réponse optomécanique exceptionnelle. Nous contribuons à cet effort en utilisant des structures sub-longueur d'onde pour maximiser l'effet Brillouin en exploitant le contrôle indépendant des modes optiques et mécaniques. Les structures sub-longueur d'onde, c'est-à-dire les géométries périodiques dont le pas est inférieur à la moitié de la longueur d'onde optique, offrent un contrôle unique de la propagation de la lumière, de l'anisotropie et de l'ingénierie des modes optiques. Grâce à de récents développements dans les installations de fabrication, ces structures promettent une nouvelle génération de dispositifs compacts en silicium sur isolant dotés de capacités inédites sans incorporer de nouveaux matériaux.

Silicon photonics attracts immense interest in fundamental research and technological and commercial development due to its compatibility with the electronics industry's standard fabrication and processing techniques. Traditionally developed for datacom applications, nowadays, silicon photonics is exploring more fields, such as on-chip signal processing, sensing, on-chip to free-space communications, and even quantum information and computing. This wide range of applications is possible thanks to novel physical phenomena. In this context, Brillouin scattering emerges as a promising tool for the next generation of integrated circuits. This nonlinear interaction between light and mechanical modes of a structure couples optical photons (in the THz regime) with MHz- and GHz-phonons, allowing a very efficient frequency conversion. This property is critical for microwave signal processing and quantum transduction between superconducting qubits and optical fibres. These two technologies are set to revolutionise telecommunications in the coming decades. Novel integrated designs yielding strong optomechanical coupling have been an active research field since the early 2000s. Due to their small size, tight light confinement, and large optical interaction with the structure boundaries, these new geometries promise an exceptional optomechanical response. We contribute to this effort by utilising subwavelength structures to maximise the Brillouin effect by harnessing independent control over optical and mechanical modes. Subwavelength structures, i.e., periodic geometries with a pitch smaller than half the optical wavelength, offer unique control of light propagation, anisotropy, and optical mode engineering. Thanks to recent developments in fabrication facilities, these structures promise a new generation of silicon-on-insulator compact devices with novel capabilities without incorporating new materials.