Chercheurs de l'Institut de physique Gleb Wataghin de l'Université de Campinas (IFGW-UNICAMP) dans l'État de São Paulo, Brésil, ont théorisé un dispositif photonique au silicium qui permettrait aux ondes optiques et mécaniques vibrant à des dizaines de gigahertz (GHz) d'interagir. Le dispositif proposé est décrit dans un article publié dans Rapports scientifiques .

« Grâce à des simulations informatiques, nous avons proposé un dispositif qui pourrait exploiter un mécanisme de diffusion de la lumière par vibrations mécaniques, appelé diffusion Brillouin, et pourrait être transposé aux puces photoniques, " a déclaré Gustavo Silva Wiederhecker, professeur à IFGW-UNICAMP et chercheur principal pour le projet de nanophotonique.

Dans les années récentes, Wiederhecker et son groupe à l'IFGW-UNICAMP se sont concentrés sur ce mécanisme, qui a été initialement décrit en 1922 par le physicien français León Nicolas Brillouin (1889-1969). En diffusion Brillouin, léger, qui se compose de photons, interagit avec les vibrations élastiques, qui se composent de phonons, à très hautes fréquences (des dizaines de GHz) dans un milieu transparent.

Il était impossible d'exploiter efficacement cet effet jusqu'aux années 1960, lorsque le physicien américain Theodore Harold Maiman (1927-2007) a inventé le laser. À ce moment-là, les chercheurs ont observé que le champ électromagnétique d'un faisceau lumineux intense transmis le long d'une fibre optique par une source laser induit des ondes acoustiques qui se propagent le long du matériau et diffusent la lumière à une fréquence différente de celle du laser.

"Ce mécanisme de diffusion de la lumière est facile à observer dans les fibres optiques, qui peut faire des centaines de kilomètres de long, car c'est cumulatif, " Wiederhecker a dit, ce qui signifie qu'il s'accumule au fur et à mesure que les ondes se déplacent le long de la fibre.

"C'est plus difficile à observer et à exploiter dans un dispositif optomécanique à l'échelle micrométrique en raison de l'espace minuscule dans lequel circule la lumière." Les dispositifs optomécaniques confinent simultanément les ondes lumineuses et les ondes mécaniques pour permettre l'interaction entre elles.

Pour surmonter cette limitation de taille en ce qui concerne la propagation de la lumière, Wiederhecker et son groupe ont développé des disques de silicium d'un diamètre d'environ 10 microns (μm), équivalent à un dixième de l'épaisseur d'un cheveu humain. Les disques agissent comme des microcavités.

A l'aide d'une fibre optique d'environ 2 µm de diamètre, les chercheurs ont couplé la lumière à ce système. La lumière est réfléchie par le bord du matériau et tourne autour de la cavité du disque des milliers de fois en quelques nanosecondes avant de se dissiper.

Par conséquent, la lumière reste plus longtemps dans la cavité et interagit ainsi plus avec le matériau, et les effets optomécaniques sont augmentés. "C'est comme si la lumière se propageait sur une distance beaucoup plus grande, " expliqua Wiederhecker.

Le problème est qu'une telle microcavité ne permet pas à la lumière à une fréquence arbitraire d'être résonante (de se propager à travers la cavité), bien qu'il permette à la lumière émise à l'origine par le laser de se propager. "Donc, vous ne pouvez pas exploiter l'effet de diffusion Brillouin dans ces microcavités, " il a dit.

À l'aide de simulations informatiques, les chercheurs ont théoriquement construit non pas un microdisque avec une cavité mais un système comprenant deux microdisques de silicium avec une cavité chacun. Les disques sont accouplés latéralement, et la distance entre leurs cavités est minuscule, de l'ordre de la centaine de nanomètres (un nanomètre est un milliardième de mètre). Ce système crée ce qu'on appelle un effet de séparation de fréquence.

Cet effet sépare légèrement la fréquence de la lumière diffusée par les ondes acoustiques de la fréquence de la lumière émise par le laser, qui est de 11-25 GHz - exactement la même que celle des ondes mécaniques - et garantit que les milliers de phonons (excitations élémentaires d'ondes acoustiques) générés par seconde dans ce système (à des taux allant de 50 kHz à 90 kHz) peuvent se propager dans les cavités.

Par conséquent, il est possible d'observer et d'exploiter la diffusion Brillouin dans ce système micrométrique, selon Wiederhecker.

"Nous montrons qu'avec une puissance laser d'environ 1 milliwatt, soit l'équivalent de la puissance d'un pointeur laser utilisé dans une présentation de diapositives, par exemple, il serait possible d'observer l'effet de diffusion Brillouin dans un système de cavité à double disque, " il a dit.