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Type: TESE DIGITAL
Title: Cavity optomechanics in silicon disks and nanostructured disks = Optomecânica de cavidades em discos de silício e discos nanosestruturados de silício
Title Alternative: Optomecânica de cavidades em discos de silício e discos nanosestruturados de silício
Author: Santos, Felipe Gustavo da Silva, 1989-
Advisor: Alegre, Thiago Pedro Mayer, 1981-
Abstract: Resumo: A optomecânica de cavidades se transformou numa área de estudos muito rica, com aplicações em interferômetros de ondas gravitacionais, fundamentos de mecânica quântica, simulações quânticas, sincronização, filtros ópticos reconfiguráveis por luz, memórias ópticas¿entre diversas outras. Dos muitos dispositivos relatados na literatura, microcavidades integradas em chips são uma alternativa promissora para o estudo de efeitos dinâmicos devido à interação entre ondas ópticas e ondas mecânicas confinadas. Entre as microcavidades, discos e cristais optomecânicos (baseados em confinamento por bandgaps fotônico e fonônico) são dispositivos especialmente promissores e frequentemente estudados, cada um tendo vantagens únicas. Nesta tese, unimos a versatilidade dos discos ao confinamento por bandgap numa nova proposta de dispositivo optomecânico, o bullseye (inglês para "alvo"). De um lado, produzimos conhecimento local em fabricação e caracterização de discos optomecânicos de silício, chegando a larguras de linha óptica menores que 1 GHz (fator de qualidade da ordem de 105). De outro, mostramos que o bullseye pode superar algumas limitações dos discos simples com o intuito de alcançar o chamado regime de banda lateral resolvida, no qual a frequência de ressonância mecânica é maior que a largura de linha óptica. A partir de simulações pelo método dos elementos finitos, compreendemos em profundidade as propriedades optomecânicas do bullseye, prevendo modos mecânicos de alta frequência com taxa de acoplamento optomecânico (medida do desvio da frequência óptica devido a flutuações do estado fundamental mecânico) de até 200 kHz ¿ valor igual ao dispositivos considerados estado-da-arte. Por fim, demonstramos experimentalmente as propriedades optomecânicas do bullseye em amostras fabricadas com processos industriais CMOS, um resultado importante que abre o caminho para aplicações massivas, tanto comerciais quanto em pesquisa, de cavidades optomecânicas

Abstract: Cavity optomechanics has proven to be a very rich field of study with applications reaching gravitational wave interferometers, fundamentals of quantum mechanics, quantum simulation, synchronization, all-optical tunable optical filters, optical memories ¿ to cite a few. Among the many devices reported in the literature, microcavities integrated on chips offer a very promising alternative for studying dynamical effects due to the interaction between confined mechanical and optical waves. Among microcavities, disks and optomechanical crystals (based on photonic and phononic bandgap confinement) are very promising and frequently studied devices, each having unique advantages. In this thesis, we allow for disks to meet bandgap confinement in a novel optomechanical design, the bullseye. On one hand, we developed know-how on the fabrication and characterization of optomechanical silicon disks, reaching optical linewidth smaller than 1 GHz (quality factor of order 105). On the other hand, we show how the bullseye design can overcome some limitations of simple disk cavities in order to achieve the so called resolved sideband regime, in which the mechanical resonance frequency is larger than the optical linewidth. We used finite elements method simulations to deeply understand the bullseye¿s optomechanical properties, predicting high frequency (larger than 8 GHz) mechanical modes with vacuum optomechanical coupling rate (measure of the optical frequency shift induced by the mechanical ground state¿s fluctuations) as high as 200 kHz ¿ a value comparable to the current state-of-the-art. Finally, we experimentally demonstrate the bullseye¿s optomechanical properties in samples fabricated by CMOS-compatible processes, thus paving a new way towards massive commercial and research-related applications of cavity optomechanics
Subject: Optomecânica de cavidade
Nanofotônica
Bandgap fonônico
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2017
Appears in Collections:IFGW - Tese e Dissertação

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