Le rayonnement électromagnétique peut exercer des forces sur des objets matériels. Ces forces sont très peu intenses mais se manifestent dans des conditions particulières (par exemple dans la queue des comètes). Récemment, grâce aux progrès en micro- et nano-fabrication en particulier, ces forces optiques ont fait l'objet d'un intérêt fort et toujours croissant de la part des scientifiques : l'objectif est de les utiliser afin de manipuler le mouvement de petits oscillateurs mécaniques. Aujourd'hui, ces forces ont été employées pour agir sur le système mécanique (par exemple modifier son mouvement et le refroidir). Les recherches actuelles dans ce domaine visent à refroidir le système mécanique pour l'amener dans son état quantique fondamental (mouvement de point zéro), ouvrant la voie à l'exploration du comportement d'un objet quantique de grandes dimensions et à la réalisation de nouveaux tests de mécanique quantique. D'un point de vue technologique, ce domaine (appelé optomécanique quantique) pourrait conduire au développement de nouveaux senseurs de sensibilité ultime, limitée seulement par le bruit quantique. L'ensemble de ces objectifs sont exigeants et requièrent des résonateurs optomécaniques dans lesquels les effets de pression de radiation prédominent sur les effets classiques. Pour cela, une stratégie repose sur la forte réduction en taille et donc en masse du résonateur mécanique. Parmi les différents systèmes optomécaniques de dimensions sub-microniques aujourd'hui étudiés, les membranes percées par un cristal photonique sont des systèmes prometteurs. Le couplage optomécanique dans des systèmes à cristaux photoniques 1D a déjà été observé [1]. Récemment, nous avons observé le couplage entre la lumière et les modes de vibrations d'une membrane suspendue percée par une cavité à cristal photonique 2D conventionnelle.

Nos travaux utilisent une cavité L3, formée par trois trous en ligne manquants dans un cristal photonique parfait à maille triangulaire. L'ensemble est percé dans une membrane suspendue d'InP d'épaisseur 262 nm. Cette cavité est le siège d'un mode optique autour de 1,5 μm et présente un facteur de qualité optique d'environ 10000 (soit une largeur de raie de 20 GHz). Nous avons étudié la réponse mécanique de cette membrane [2] en collaboration avec le groupe de Tobias Kippenberg à l'EPFL. Dans ces expériences, les modes mécaniques de la membrane sont sondés en couplant un laser dans une fibre optique étirée placée dans le champ proche de la cavité optique et en accordant le laser à une fréquence légèrement supérieure à celle de la cavité optique de sorte à limiter les effets thermiques (voir Fig. 1 gauche). Le mouvement de la membrane est alors observé sur le spectre de bruit en fréquence du laser transmis (voir Fig. 1 droite). Plus de 20 modes mécaniques apparaissent dans un domaine de fréquence s'étalant entre 10 MHz et 1 GHz. Ces modes peuvent être attribués suivant deux familles. La première famille est celle des modes "tambour" de la membrane qui apparaissent à basse fréquence (en dessous de 200 MHz). La seconde famille, autour de 1 GHz, consiste en des modes localisés qui correspondent à une déformation du corps de la cavité optique entourée de trous. Cette identification des modes s'appuie sur des simulations par éléments finis.

Figure 1 : En haut à droite : (Au centre) Image au microscope électronique à balayage de la cavité optique à cristaux photoniques en vue de dessus; la cavité présente un mode optique localisé de longueur d’onde 1,5 μm (à gauche) et un mode mécanique autour du GHz (à droite). En bas à droite : spectre du bruit en fréquence du mode mécanique localisé présenté ci-dessus et mesuré en couplant un laser par onde évanescente à la cavité optique (voir à gauche). Un taux de couplage optomécanique au point zéro g0⁄2π de 84 kHz est mesuré.

A cause du confinement fort et de la co-localisation des modes optiques et mécaniques au sein de la cavité optique (voir Fig. 1), on s'attend à un couplage optomécanique fort pour les modes localisés. Ce couplage peut être quantifié à partir du taux de couplage optomécanique au point zéro g₀ qui correspond à la modification de la fréquence de résonance de la cavité induite par les fluctuations de point zéro. Les valeurs mesurées de g₀ pour les modes localisés sont en effet supérieures de plus d'un ordre de grandeur par rapport à celles mesurées sur les modes tambour ou sur d'autres systèmes optomécaniques usuels (tels que les microtores ou les ponts).

Ce couplage optomécanique fort, associé à la très faible masse du résonateur mécanique, fait des membranes à cristaux photoniques une plateforme prometteuse pour des applications en optomécanique quantique. D'autre part, l'intégrabilité du dispositif ouvre la voie à des technologies nouvelles sur puce exploitant des interfaces et convertisseurs photon-phonon (actuateurs optiques, horloges ou filtres pour la photonique RF...).

Contact :

Rémy Braive et Isabelle Robert-Philip de l'équipe "Optique quantique des semiconducteurs"

Références :

[1] A picogram- and nanometre-scale photonic-crystal optomechanical cavity,
M. Eichenfield, R. Camacho, J. Chan, K. J. Vahala and O. Painter,
Nature 459, 550 (2009)

[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)