Des résonateurs optomécaniques GaAs à très haute fréquence.

10 mai 2011


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Dans un système « optomécanique », les vibrations d’un système mécanique résonant sont fortement couplées aux oscillations de la lumière piégée dans un résonateur optique. Grâce à cette interaction, les physiciens mesurent optiquement des mouvements infimes et agissent sur le système mécanique avec la lumière pour modifier sa fréquence, son mouvement et même le refroidir. L’un des objectifs majeurs de ce domaine depuis plusieurs années est d’amener le système mécanique dans son état fondamental. Des chercheurs du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ - CNRS / Univ. Paris 7), en collaboration avec le Laboratoire Photonique et Nanostructures (LPN - CNRS) viennent de réaliser un nouveau type de système optomécanique : un disque semiconducteur miniature vibrant. Les avantages de ce nouveau système sont doubles : un volume de piégeage très petit pour l’énergie mécanique et lumineuse, conduisant à un fort couplage, et une taille très réduite permettant d’envisager aisément son intégration dans des dispositifs semiconducteurs combinant nanophotonique et opto-électronique. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.

En utilisant les techniques de nanofabrication, les chercheurs ont réalisé des disques miniatures en Arséniure de Gallium d’un diamètre de quelques micromètres et épais de 200 nanomètres. Ces disques soutenus en leur centre par un pied cylindrique présentent des vibrations à des fréquences atteignant le gigahertz. Les chercheurs ont alors injecté de la lumière dans ces disques par l’intermédiaire d’une fibre optique. Cette lumière, piégée dans le pourtour du disque, occupe un volume inférieur au micron cube. Pendant les quelques dix mille tours qu’elle effectue au pourtour du disque avant de s’en échapper, la lumière interagit longuement avec les vibrations du disque. La sensibilité optique au mouvement mécanique atteint 10^-17 m/ $\sqrt{Hz}$ , une valeur record pour un oscillateur mécanique de si haute fréquence et petite taille, permettant de mesurer directement son mouvement Brownien avec une très haute résolution. Ces travaux ouvrent des perspectives à l’interface entre nanophotonique, optomécanique et opto-électronique. Une des possibilités qui retient l’attention des chercheurs est la possibilité maintenant ouverte de coupler un émetteur de photons non classiques tel une boite quantique à un résonateur optomécanique quantique.


Un résonateur disque optomécanique à haute fréquence.: Le disque GaAs, posé sur un piédestal en AlGaAs, oscille sur un mode de respiration. La lumière est piégée dans sa périphérie circulaire.

En savoir plus

High frequency GaAs nano-optomechanical disk resonator, Lu Ding¹, Christophe Baker¹, Pascale Senellart², Aristide Lemaitre², Sara Ducci¹, Giuseppe Leo¹ et Ivan Favero¹ Phys. Rev. Lett., 105, 263903 (2010).

Wavelength-sized GaAs optomechanical resonators with gigahertz frequency, L. Ding, C. Baker, P. Senellart, A. Lemaitre, S. Ducci, G. Leo and I. Favero, Applied Physics Letters 98, 113108 (2011).