Integrated nano-optomechanics in photonic crystal

par Rui Zhu

Thèse de doctorat en Optique et photonique

Sous la direction de Isabelle Robert-Philip.

Soutenue le 16-09-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (2016-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Xavier Checoury.

Le jury était composé de Isabelle Robert-Philip, Xavier Checoury, Marc Faucher, Nicolas Le Thomas, Maria-Pilar Bernal-Artajona.

Les rapporteurs étaient Marc Faucher, Nicolas Le Thomas.

  • Titre traduit

    Nano-optomécanique intégrée dans les cristaux photoniques


  • Résumé

    Les oscillateurs de référence de haute pureté sont actuellement utilisés dans un grand nombre d’applications allant du contrôle de fréquence aux horloges pour les radars, les GPS et l’espace... Les tendances actuelles dans ce domaine requièrent des architectures miniaturisées avec la génération de signaux directement dans la gamme de fréquences d’intérêt, autour de quelques GHz. Récemment, de nouvelles architectures basées sur les principes de l’optomécanique ont vu le jour dans ce but. De tels oscillateurs optomécanique génèrent non seulement des signaux hyperfréquences directement dans la gamme de fréquences GHz avec éventuellement un faible bruit de phase, mais permettent également un degré élevé d'intégration sur puce. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette démarche. L’oscillateur optomécanique étudié se compose de cavités à cristaux photoniques suspendues couplées à des guides d’ondes silicium sur isolant intégrés dans une architecture tridimensionnelle. Ces cavités abritent des modes optiques fortement confinés autour de 1550nm et des modes mécaniques dans le GHz. De plus, ces structures présentent un recouvrement spatial entre phonon et photon élevé. Il en résulte un couplage optomécanique amélioré. Cette force de couplage optomécanique améliorée est ici sondée optiquement sur des structures à cristaux photoniques de conception optimisée. Ces cavités sont réalisées dans des matériaux semi-conducteurs III-V dont la piézoélectricité nous permet d'intégrer des outils supplémentaires pour sonder et contrôler les vibrations mécaniques via un pilotage capacitif, piézoélectrique ou acoustique. Ce contrôle total des modes mécaniques et de l’interaction optomécanique ouvre la voie à la mise en œuvre de circuits intégrés pour le verrouillage par injection et des boucles de rétroaction permettant de réduire le bruit de phase de l’oscillateur.


  • Résumé

    High purity reference oscillators are currently used in a wide variety of frequency control and timing applications including radar, GPS, space... Current trends in such fields call for miniaturized architectures with direct signal generation in the frequency range of interest, around few GHz. Recently, novel optomechanically-enhanced architectures have emerged with this purpose. Such optomechanically-driven oscillators not only generate microwave signals directly in the GHz frequency range with possibly low phase noise but also are amenable to a high degree of integration on single chip settings. This PhD work falls within this scope. The optomechanically-driven oscillator under study consists of suspended photonic crystal cavities coupled to integrated silicon-on-insulator waveguides in a three-dimensional architecture. These cavities harbor highly-confined optical modes around 1,55 µm and mechanical modes in the GHz and most importantly, feature a high phonon-photon spatial overlap, all resulting in an enhanced optomechanical coupling. This enhanced optomechanical coupling strength is here probed optically on photonic crystal structures with optimized design. These cavities are hosted in III-V semiconductor materials whose piezoelectricity enable us to integrate additional tools for probing and controlling mechanical vibrations via capacitive, piezoelectric or acoustic driving. This full control over the mechanical modes and optomechanical interaction, paves the way towards the implementation of integrated injection locking circuits of feedback loops for reducing the phase noise of the oscillator.


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