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Type: TESE
Title: Optomechanics in photonic crystal cavities = Optomecânica em cavidades de cristal fotônico
Title Alternative: Optomecânica em cavidades de cristal fotônico
Author: Benevides, Rodrigo da Silva, 1989-
Advisor: Alegre, Thiago Pedro Mayer, 1981-
Abstract: Resumo: A área de optomecânica de cavidades passou por um grande desenvolvimento na última década. O crescente interesse nesta área foi impulsionado principalmente pela interessante conexão entre movimentos mecânicos e campos ópticos. Tal acoplamento é amplamente explorado em diversos experimentos, com escalas variando de interferômetros quilométricos a cavidades ópticas microestruturadas. O principal desafio em todos estes experimentos é criar um dispositivo optomecânico com um longo tempo de vida óptico e mecânico, ao mesmo tempo em que mantém um grande acoplamento. Neste contexto, as cavidades de cristal fotônico surgiram como fortes candidatas já que elas são capazes de confinar campo óptico em um volume modal muito reduzido e por um longo tempo de vida. No regime clássico, estes pequenos dispositivos, que podem oscilar mecanicamente com frequências de alguns poucos MHz até dezenas de GHz, permitem detectar forças, massas e deslocamentos muito pequenos. Elas também são usadas para produzir osciladores mecânicos de alta qualidade, que podem ser sincronizados por intermédio do campo óptico. No regime quântico, a optomecânica quântica de cavidades tem sido usada para ajudar na compreensão do fenômeno de decoerência em uma escala mesoscópica, criando estados não-clássicos fortemente acoplados entre campo óptico e movimento mecânico, intermediado pela interação optomecânica. Entretanto, até agora, foram realizados poucos estudos sobre a possibilidade de produção destes dispositivos em larga escala, um passo necessário para massivas aplicações tecnológicas e científicas destes dispositivos. Neste trabalho, descrevemos um estudo detalhado de cavidades optomecânicas baseadas em cristais fotônicos produzidos numa fábrica de dispositivos compatíveis com indústria CMOS. Nós demonstramos a viabilidade desta plataforma explorando três geometrias distintas de cristais fotônicos. Primeiramente, nós mostramos como atingir fatores de qualidade muito elevados usando uma geometria consistente com as limitações de fabricação. Nossos fatores de qualidade são os maiores já reportados usando cavidades de cristal fotônico fabricadas com litografia óptica. Em seguida, investigamos uma cavidade do tipo fenda, possibilitando a produção de alto acoplamento optomecânico usando um movimento mecânico planar. Por fim, desenhamos um escudo acústico, com dimensões variadas, para restringir o modo mecânico para dentro da região óptica. Essa estratégia foi usada de forma bem sucedida para produzir altos fatores de qualidade mecânicos e acoplamentos optomecânicos, permitindo a observação de resfriamento e amplificação de modos mecânicos à baixa temperatura

Abstract: The field of cavity optomechanics has experienced a rapid growth in last decade. The increasing interest in this area was mostly driven by the intricate interface between mechanical motion and the optical field. Such coupling is widely explored in a variety of experiments scaling from kilometer long interferometers to micrometer optical cavities. The challenge on all these experiments is to create an optomechanical device with long-living optical and mechanical resonances while keeping a large coupling rate. In this context photonic crystal cavities have emerged as a strong candidate since they are able to produce very small optical mode volume and long optical lifetime. In the classical regime, these tiny devices, which can mechanically oscillate from frequencies ranging from couple MHz up to tens of GHz, allows for highly sensitive small forces, masses, displacements and acceleration detectors. They are also used to produce high quality optically driven mechanical oscillators which can be synchronized via an optical field. In the quantum regime, cavity quantum optomechanics is being used to understand decoherence phenomena in a mesoscopic scale by creating nonclassical states between light and mechanical modes intermediated by optomechanical interaction. However up to now, few studies have been done concerning the possibility of large scale production of these devices, a necessary step towards massive technological and scientific application of these devices. In this work, we describe a detailed study of optomechanical cavities based upon photonic crystal cavities fabricated in a CMOS-compatible commercial foundry. We prove the feasibility of this platform exploring three photonic crystal designs. First, we show how to achieve ultra-high optical quality factors using a design resilient to the fabrication constrains. Our demonstrated quality factors are the largest ever reported using photonic crystal cavities manufactured by optical lithography. Secondly, we investigate a slot type optical cavity, able to produce very large optomechanical coupling using a simple in-plane motion. Finally, we design a trimmable acoustic shield to restrict the mechanical motion inside the optical region. Such strategy was successfully used to produce high mechanical quality factor and optomechanical coupling which enabled the observation of cooling and amplification of mechanical modes at low temperature
Subject: Optomecânica de cavidade
Cristais fotônicos
Nanofotónica
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2016
Appears in Collections:IFGW - Dissertação e Tese

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