DOSSIER
OPTOMéCANIQUE
Plus récemment , la mise en place simultanée d ’ une bande interdite acoustique et photonique a permis de mettre en évidence un confinement acoustique au sein de ces nanostructures . De par leurs géométries , elles sont le siège de modes de vibration oscillant directement aux fréquences GHz . Le couplage entre les degrés de liberté optique et acoustique ou couplage optomécanique est fortement renforcé dans ces résonateurs nanométriques du fait de la co-localisation dans le même volume des résonances photoniques et acoustiques .
Ces structures également appelées cristaux optomécaniques constituent donc une plate-forme de choix pour l ' utilisation du couplage photon-phonon , en permettant une interaction optomécanique améliorée dans le domaine des GHz . Cette interaction quantifiée par le taux de couplage optomécanique dans le vide g0 , décalage de fréquence optique induit par les fluctuations du point zéro du mode mécanique , dépasse les 100 kHz dans les cristaux optomécaniques .
En tirant parti de la fréquence élevée des modes mécaniques au sein des cristaux optomécaniques , de la transduction optique et du contrôle de la fréquence mécanique , il a été possible , au cours de la dernière décennie , de réaliser de nombreuses démonstrations que ce soit dans le régime quantique ou classique . Le développement de ces nouveaux systèmes optomécaniques a permis d ' atteindre le régime où les effets de pression de radiation deviennent dominants , avec des réalisations telles que le refroidissement à l ' état fondamental d ' un résonateur mécanique , la transduction de qubit sur un photon ou encore la métrologie de la température . Dans le même temps , la capacité de ces mêmes systèmes optomécaniques à obtenir une oscillation auto-entretenue sans besoin de rétroaction électronique ouvre de nouvelles opportunités et des concepts innovants pour des capteurs ultra-compacts ou des oscillateurs micro-ondes stables .
OSCILLATEURS OPTOMÉCANIQUES MICRO-ONDES L ' architecture la plus simple pour un oscillateur à micro-ondes exploitant l ' interaction optomécanique est un résonateur optomécanique ( Figure 2a ) à commande optique présentant des oscillations régénératives dans le GHz . Grace à la résonance optique aux longueurs d ’ onde télécom (~ 1550 nm ) – Figure 2b , l ' énergie du laser est alors convertie en un signal micro-ondes sans aucune boucle de rétroaction . En exploitant l ' interaction photon-phonon améliorée dans un cristal optomécanique de haute qualité oscillant directement dans le domaine des GHz ( Figure 2c ), ces derniers répondent déjà à l ' une des exigences du domaine .
Cependant , bien qu ' une telle architecture offre une simplicité inégalée et de petits facteurs de forme , s ' appuyer uniquement sur les oscillations régénératives dans les résonateurs optomécaniques ne permet pas d ' obtenir une pureté spectrale suffisante , en raison des fluctuations induites par l ' environnement , du bruit thermo-mécanique , du bruit de grenaille .... La réduction de ces fluctuations nécessite l ' intégration de plusieurs composants clés : ( i ) un circuit optique pour lire et « alimenter » l ' oscillation mécanique ainsi ( ii ) qu ’ une excitation résonante efficace pour contrôler le mode mécanique dans la gamme des GHz ( Figure 2a ). L ' objectif n ' est pas seulement l ' utilisation de
Figure 3 . Mesure de bruit de phase sans ( bleu ) et avec ( orange ) la boucle de rétraction .
l ' interaction optomécanique pour la génération de fréquences ultrastables , mais aussi la mise en place de stratégies de verrouillage et de rétroaction qui exploitent pleinement l ’ intégration sur puce des moyens de contrôle électrique et / ou acoustique .
Préalablement à l ' obtention de performances de pointe en termes de bruit de phase , la mise en œuvre de techniques de stabilisation de la fréquence optomécanique est indispensable . Parmi les diverses techniques , le verrouillage par injection ou « injection locking » est l ’ une des plus répandues . Différentes architectures peuvent être mises en œuvre afin de réaliser ce verrouillage . Dans le cas présent [ 4 ], l ' excitation résonante directe du mode mécanique au sein du cristal optomécanique a été choisie en tirant parti des propriétés piézoélectriques du matériau utilisé , à savoir le Phosphure de Gallium ( GaP ). Cela permet ainsi d ’ obtenir un actionnement électromécanique intégré sur puce . L ' optimisation de cette excitation nécessite de placer la structure optomécanique au centre de deux électrodes métalliques , tout en minimisant l ’ impact de leur présence sur le champ optique . L ' application d ' un signal électrique à la fréquence mécanique , tout en couplant le laser à proximité de la résonance optique , permet d ' observer l ' actionnement électromécanique transduit dans le domaine optique . En fonction des désaccords spectraux ( optique et électro-mécanique ) ainsi que de l ’ intensité du laser et l ’ amplitude
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