On-chip nano-optomechanical whispering gallery resonators

This thesis work focuses on the design, fabrication and measurement of Gallium Arsenide (GaAs) nano-optomechanical disk resonators. These disks are both GHz frequency mechanical resonators, and high Q (>10^5) optical whispering gallery mode resonators. By confining optical and mechanical energy on a sub-µm^3 volume, they enable extremely large optomechanical coupling strengths (g0>1 MHz). We present the technological developments which enabled the integration of these resonators with optical coupling waveguides directly on a semiconductor chip, while maintaining state of the art performance. We discuss the different optomechanical coupling mechanisms (radiation pressure, photoelasticity) in GaAs disks, as well as the sources of optical and mechanical dissipation in these resonators. We present as well optomechanical experiments in air and in a cryostat at low temperature, which go from the measurement of Brownian motion and the observation of dynamical back-action, to the first attempts to approach the quantum regime of mechanical displacement. Finally, we present an additional nano-optomechanical development carried out on the silicon nitride (SiN) platform, which lead to the fabrication of high Q on-chip whispering gallery mode resonators. After the study of the optical instability and self-pulsing dynamics of these resonators, we present the first signatures of dissipative optomechanical coupling in these systems.
Ces travaux de thèse portent sur la conception, la fabrication et la caractérisation de résonateurs nano-optomécaniques sous forme de disques en arséniure de Gallium (GaAs). Ces disques sont à la fois des résonateurs mécaniques oscillant au GHz, et des résonateurs optiques à mode de galerie à haut facteur de qualité (>10^5). En confinant l'énergie mécanique et optique sur un volume sub-µm^3, ils permettent d'atteindre un couplage optomécanique extrêmement large (g0 >1 MHz). Nous présentons les développements technologiques ayant permis l'intégration de ces résonateurs avec des guides de couplage optique directement sur échantillon semi-conducteur, tout en maintenant des performances à l'état de l'art. Nous discutons les différents mécanismes de couplage optomécanique (pression de radiation, photoélasticité) dans les disques GaAs, ainsi que les sources de dissipation optique et mécanique dans ces résonateurs. Nous présentons également des expériences d'optomécanique à l'air libre et en cryostat à basse température, allant de la mesure du mouvement brownien et l'observation de rétroaction dynamique, jusqu'à des premières tentatives d'approche du régime quantique du mouvement. Enfin, nous présentons un développement nano-optomécanique complémentaire mené sur le matériau nitrure de silicium (SiN), aboutissant à la fabrication de résonateurs à mode de galerie sur puce à haut facteur de qualité. Après l'étude des instabilités optiques et de la dynamique d'auto-pulsation de ces résonateurs, nous présentons des premières signatures de couplage optomécanique dissipatif dans ces systèmes.