Optomécanique fibrée des disques GaAs : dissipation, amplification et non-linéarités

• Auteur / Autrice : David Parrain
• Direction : Sara Ducci, Ivan Favero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris2014-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pression de radiation acoustique

Dissipation d'énergie

Résonateurs optiques

Arséniure de gallium

Optomécanique

Mots clés libres

Mode de galerie

Electrostriction

Résumé

L'optomécanique en cavité est le domaine qui étudie les interactions réciproques entre la lumière et les degrés de liberté mécaniques d'une cavité optique. Ce couplage optomécanique permet de mesurer précisément, mais aussi de contrôler le mouvement d'un résonateur mécanique. Ce travail de thèse concerne l'étude des effets optomécaniques des disques en GaAs. Les disques sont à la fois des résonateurs mécaniques oscillant à la centaine de MHz, et des résonateurs optiques à mode de galerie à haut facteur de qualité. L'interaction optomécanique dans les disques GaAs repose majoritairement sur la pression de radiation, l'électrostriction et l'effet photothermique. Nous formulons un modèle analytique permettant de décrire le couplage optique-mécanique via ces trois vecteurs. Nous présentons le dispositif expérimental permettant de sonder les effets optomécaniques en soulignant les améliorations notables apportées durant cette thèse. Les techniques de fabrication des échantillons et de la fibre effilée sont décrites ainsi que les mesures de mouvement brownien. Dans le but d'améliorer les performances de notre dispositif, nous nous sommes intéressés aux différents mécanismes de dissipation optiques et mécaniques. Ces études, en permettant une meilleure compréhension du système, ouvrent la voie à des améliorations ultérieures. Enfin nous présentons la mise en auto-oscillation du résonateur optomécanique, phénomène rendu possible par les améliorations technologiques mises en place. A haute puissance optique, un phénomène non-linéaire nouveau apparait, baptisé auto-modulation de l'auto-oscillation, mettant en jeu la dynamique de porteurs libres créés par l'absorption à deux photons.

Cavity optomechanics is the field that studies reciprocal interactions between light and the mechanical degrees of freedom of an optical cavity. This optomechanical coupling allows us to precisely measure but also control a mechanical resonator displacement. This thesis work deals with the study of optomechanical effects in GaAs disks. These disks are both optical resonators supporting whispering gallery modes and mechanical resonators oscillating at frequencies as high as hundreds of MHz. Optomechanical interactions in these disks rest mainly on radiation pressure, electrostriction and photothermal effects. We formulate an analytical model describing the optomechanical coupling through those three vectors. We present the experimental setup used to probe optomechanical effects, highlighting the significant improvements brought during this thesis. Samples and tapered fiber fabrication techniques are described as well as Brownian motion measurements. In order to improve our device performance, we investigated optical and mechanical dissipation channels. These studies, by allowing a better understanding of the system, pave the way to further improvements. Finally, we present the self-oscillation regime of the optomechanical resonator, a regime achieved thanks to technical improvements in the setup. At high optical power, a new nonlinear phenomenon appears, called self-modulation of the self-oscillation, involving free carriers dynamics, created by two photon absorption.