CNRS/C2N : Optomécanique dans les cristaux photoniques 
Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - Campus de Marcoussis
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NanoPhotonIQ > Optomécanique dans les cristaux photoniques
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L'optomécanique traite de l'interaction entre la lumière et un oscillateur mécanique, et utilise ce couplage pour lire ou contrôler le mouvement mécanique de l'oscillateur. Ce couplage optomécanique est exalté aux échelles nanométriques du fait de la très faible masse des oscillateurs nanomécaniques.

L’équipe Optomécanique dans les cristaux photoniques s'intéresse à la nano-optomécanique de membranes suspendues à cristaux photoniques : la membrane peut former un miroir déformable intégrable dans une cavité [1]; Fabry-Pérot conventionnelle ou bien elle peut inclure une cavité de dimensions limitées par la diffraction qui confine à la fois les photons et les phonons (i.e. vibrations mécaniques). Ces structures exploitent à la fois les effets de cavité et les effets de très faible masse, et de fait présentent des couplages optomécaniques importants. Les résonateurs à cristaux photoniques sur membrane sont en particulier le siège de modes mécaniques de fréquences autour du GHz, qui sont fortement couplés à la lumière [2].



Figure 1: Vue de dessus au microscope électronique à balayage de deux membranes à cristaux photoniques d'une épaisseur de 260 nm ( à gauche) Membrane en semiconducteur InP formée d'un arrangement régulier de trous à maille carrée, formant un miroir à incidence normale ( à droite) Membrane en semiconducteur InP reportée sur un guide d'onde Si et formée d'un arrangement à maille triangulaire de trous, comprenant une microcavité optique (cavité = 3 trous manquants sur une ligne).

L'équipe adresse aujourd'hui plusieurs enjeux du domaine : l'ingénierie de dispositifs nano-optomécaniques intégrés et intégrables associant à la fois des fonctionnalités d'actuation/détection optiques et acoustiques, l'exploration des effets d'interaction phonon-photon mis en jeu et enfin l'exploitation du couplage opto-mécanique pour des applications en traitement de l'information et en métrologie.

Pour cela, l’équipe s’engage, avec les infrastructures spécifiques disponibles au laboratoire dans la conception, la croissance, la fabrication et la caractérisation des plateformes à l'étude. L'équipe est également engagée dans des collaborations, en particulier avec :

LKB Equipe "Optomécanique et mesures quantiques" au Laboratoire Kastler Brossel FEMTO-ST le groupe "Phononique" du laboratoire FEMTO-ST
EPFL K-LAB à l'EPFL

Références :

[1] Deformable two-dimensional photonic crystal slab for cavity optomechanics,
T. Antoni, A. Kuhn, T. Briant, P.-F. Cohadon, A. Heidmann, R. Braive, A. Beveratos, I. Abram, L. Le Gratiet, I. Sagnes and I. Robert-Philip,
Opt. Lett. 36, 3434 (2011)

[2] Optomechanical Coupling in a Two-Dimensional Photonic Crystal Defect Cavity,
E. Gavartin, R. Braive, I. Sagnes, O. Arcizet, A. Beveratos, T. Kippenberg, I. Robert-Philip,
Phys. Rev. Lett. 106, 203902 (2011)

[3] Integrated III-V Photonic Crystal – Si waveguide platform with tailored optomechanical coupling,
V. Tsvirkun, A. Surrente, F. Raineri, G. Beaudoin, R. Raj, I. Sagnes, I. Robert-Philip, R. Braive,
Sci. Rep. 5, 16526 (2015)



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Puce Membres

Contacts

 Braive Rémy  (+33) 1 69 63 60 49  
 Robert-Philip Isabelle  (+33) 1 69 63 61 79  

Et aussi...

 Zhu Rui  (+33) 1 69 63 61 77  
 Chowdhury Avishek  (+33) 1 69 63 61 14  

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Puce Propositions de stages

Post-doctorat


  • Nano-optomechanics for time-frequency metrology and microwave photonics : Towards an optomechanically-driven microwave oscillator

  • Contact : R. Braive
    Groupe : NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)
    En savoir plus
    Recent advances in nanophotonics have enabled co-design of mechanical and optical resonances in the same device, opening the way to optomechanics experiments at nanoscale. A notable contribution that has come out of this area, is the manifestation of parametric instability, resulting in mechanical amplification and thereby oscillation of the mechanical mode driven purely optically. This ability to achieve self-sustained oscillation with no need for feedback electronics makes optomechanical oscillators compelling for on-chip applications such as microwave clocks, in which directed light energy from a laser is available to fuel the oscillation. In this project, the photonic clock architecture will rely on an integrated high-quality optomechanical nanoresonator, in order to achieve very stable oscillation in the GHz range, where the lack of good quality and miniaturized sources is a severe issue. Thanks to the strong reduction of the oscillator dimensions down to nanoscale, the resonator will sustain mechanical modes strongly coupled to light up to 3-5 GHz, directly at the operating frequency of interest for optoelectronic microwave oscillators and metrology applications. One main issue is the stability of the oscillator's output, as gauged over short time spans by its phase noise. Stabilization will be achieved by implementing on-chip optoelectronic loops, exploiting either an optical or acoustic control of mechanical motion along different schemes including locking on a reference frequency or self-injection locking. This project will be carried out in strong collaboration with Thales-RT for the specifications of the devices and their phase noise measurements .

Thèse


  • Dynamique non-linéaire et synchronisation de résonateurs nano-optomécaniques

  • Contact : R. Braive
    Groupe : NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)
    En savoir plus
    Optomechanics explores the interaction between electromagnetic radiation and nano- or micromechanical motion. This interaction allows for a mutual control between light and mechanics. In order to enhance such interaction, one strategy consists in decreasing the mass of the oscillator whose dimensions can now be reduced down to nanoscale. The optomechanical interaction allows now for reading but also tailoring, via the optical force, the motion of mechanical oscillators such as suspended nanobeams or nanomembranes. At the crossroad between nanophotonics and nanomechanics, the objective of the PhD work is to achieve synchronization in a fully integrated nano-optomechanical platform for time/frequency metrology. The optomechanical platform will consist in photonic crystal resonators sustaining optical and mechanical modes, coupled via an integrated optical waveguide. After processing of the device under study in the laboratory's clean rooms, observation of mechanical self-oscillations will open the way to the implementation of synchronization processes along different schemes (synchronization to an external drive via injection locking and then between spatially-separated resonators via the optical waveguide). The PhD work will involve numerical simulation, nanofabrication and advanced optical measurements.
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Puce Publications

Publications dans des journaux
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Puce Contrats et projets

    Puce Projets Internationaux

      CQOM : Cavity Quantum Optomechanics

      Référence de contrat : FP7-PEOPLE-2011-ITN 290161
      Coordinateur, Partenaire(s) : T. Kippenberg (EPFL),
      Responsable(s) C2N : Isabelle Robert-Philip, Rémy Braive
      Principaux objectifs : Investigation of photonic crystal platforms for optomechanics (2012-2016)

      OMC : Optomechanical photonic crystals

      Référence de contrat : ERA.Net RUS
      Coordinateur, Partenaire(s) : T. Kippenberg (EPFL),
      Responsable(s) C2N : Isabelle Robert-Philip
      Principaux objectifs : Two goals will be pursued: (1) achieving the quantum limit in displacement sensing of mechanical vibrations of nanostructures in the GHz range, and (2) exploiting high optomechanical coupling for nanoscale circuits combining optical and mechanical functionalities. (2012-2013)

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    Puce Projets des Réseaux Nationaux

      GANEX : Projet exploratoire 5-2

      Référence de contrat : Labex
      Coordinateur, Partenaire(s) : R. Braive (LPN ),
      Responsable(s) C2N : Rémy Braive, Sophie Bouchoule
      Principaux objectifs : (2012-2019)

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    Puce Autres Projets Nationaux

      NANOROBUST : Caractérisation multiphysique de nano-objets et manipulation robotisée sous environnement MEB

      Référence de contrat : ANR P2N
      Coordinateur, Partenaire(s) : P. Lutz (FEMTO-ST, Departement d'Optique ), P. Lutz (FEMTO-ST, Departement d'Optique )
      Responsable(s) C2N : Rémy Braive, Isabelle Sagnes
      Principaux objectifs : Caractérisation multiphysique de nano-objets et manipulation robotisée sous environnement MEB (2011-2015)

      Minotore : Micro et nano-optomecanique en regime quantique

      Référence de contrat : ANR blanc
      Coordinateur, Partenaire(s) : A. Heidmann (LKB ),
      Responsable(s) C2N : Isabelle Robert-Philip
      Principaux objectifs : Squeezing optomécanique et régime quantique d'un oscillateur mécanique (2012-2015)

      NAOMI : NAno-OptoMécanique Intégrable

      Référence de contrat : Cnano Ile de France
      Responsable(s) C2N : Pascale Senellart, Rémy Braive, Isabelle Robert-Philip
      Principaux objectifs : L'objectif du projet est de développer la nano-optomécanique, en fédérant les expertises en optomécanique, nanophysique et nanofabrication des équipes de MPQ, du LKB et du LPN. (2008-2011)

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Puce Stages passés et en cours

Post-doctorat


  • Nano-optomécanique intégrable

  • A. Surrente-(2014-09-01 / 2015-08-31)
    Contact : I. Robert-Philip
    Groupe : NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)
                NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)
    En savoir plus
    In the context of the EU-funded Marie Curie training network cQOM (“Cavity Quantum Optomechanics"), we have a vacancy for a post-doc. The objective of the project is to develop novel compact optomechanical nano-resonators, based on photonic crystals slab resonators, and demonstrate the feasibility of classical applications (such as microwave oscillators) of the coupling of light to localized mechanical vibrations. This multifaceted project involves nanofabrication in the laboratory clean rooms, laser physics, nanophotonics, optics and cryogenics, as well as numerical simulation of the resonators and thus allows acquiring a broad knowledge in several fields and of many experimental techniques.

  • Nano-oscillateurs optomécaniques intégrés

  • I. Yeo-(2014-06-01 / 2015-05-31)
    Contact : I. Robert-Philip , R. Braive
    Groupe : NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)
    En savoir plus
    The objective of the project is to develop fully integrated compact optomechanical nano-resonators, based on photonic crystals slab resonators, including on-chip acoustic and electrostatic actuation functionalities. This multifaceted project involves nanofabrication in the laboratory clean rooms, nanophotonics, optics, as well as numerical simulation.

  • Les membranes à cristaux photoniques comme miroir déformable pour l'optomécanique en cavité

  • T. Antoni-(2011-09-01 / 2012-08-31)
    Contact : I. Robert-Philip
    Groupe : NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)
    En savoir plus
    Les membranes à cristaux photoniques formées d'un arrangement carré de trous, peuvent être utilisées comme miroir à incidence normale. Déjà employées dans la réalisation de résonateurs optiques passifs ou actifs (VCSEL), nous avons étendu leur usage à l'optomécanique en cavité, en collaboration étroite avec l' équipe « Mesure et Bruits fondamentaux» au LKB. Nous avons notamment démontré que ces membranes sont le siège de modes de vibrations dans le domaine du MHz et que leur réflectivité à 1064 nm et à incidence normale est supérieure à 95 % . Le travail post-doctoral exploite ces deux éléments, combinés à la très faible masse du miroir, pour l'étude des effets optomécaniques dans une configuration de type cavité Fabry-Perot (effet d'action en retour quantique...).

Thèse


  • Integrated actuation of photonic crystal membranes for optomechanics

  • R. Zhu-(En cours depuis 2015-10-01)
    Contact : R. Braive
    Groupe : NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)
    En savoir plus

  • Nano-oscillateurs optomécaniques intégrés à cristaux photoniques

  • A. Chowdhury-(En cours depuis 2013-09-01)
    Contact : I. Robert-Philip , R. Braive
    Groupe : NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)
    En savoir plus
    The objective of the project is to develop fully integrated compact optomechanical nano-resonators, based on photonic crystals slab resonators, including on-chip acoustic and electrostatic actuation functionalities. This multifaceted project involves nanofabrication in the laboratory clean rooms, nanophotonics, optics, as well as numerical simulation.

  • Optomécanique dans les cristaux photoniques

  • S. Righi-(2012-09-01 / 2015-08-31)
    Contact : I. Robert-Philip , R. Braive
    Groupe : NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)
    En savoir plus
    This PhD-topic is carried out in the context of the EU-funded Marie Curie training network cQOM (“Cavity Quantum Optomechanics”). It concerns the processing of photonic crystal-based optomechanical resontaors and investigation of optomechanical effects on such platform.

Stage


  • Couplage optomécanique dans les membranes à cristaux photoniques

  • C. Sanna-(2015-07-06 / 2015-09-30)
    Niveau : Master2
    Contact : R. Braive
    Groupe : NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)
    En savoir plus
    Ce stage vise à étudier les mécanismes couplant lumière et vibrations mécaniques dans les membranes à cristaux photoniques intégrées.

  • Optomécanique diamant

  • G. Madiot-(2015-05-26 / 2015-07-31)
    Niveau : Licence
    Contact : R. Braive
    Groupe : NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)
    En savoir plus
    Le stage vise à mesurer la réponse mécanique de membranes suspendues en diamant à cristaux photoniques, qui forment des oscillateurs optomécaniques couplant la lumière et les vibrations mécaniques.
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