Phonons Manipulation in Silicon Chips Using Cavity Optomechanics

Abstract

[ES] La optomecánica de cavidades se ocupa de la interacción entre la luz y la materia a través del efecto de presión de radiación cuando las ondas ópticas y mecánicas implicadas están confinadas en una cavidad. En estos sistemas optomecánicos, la interacción entre fotones y fonones da lugar a multitud de fenómenos en función de las condiciones en las que se excita el sistema. En particular, se pueden obtener dos regímenes distintos en los que se puede, o bien absorber fonones (denominado como enfriamiento de la cavidad), o bien éstos se pueden amplificar (régimen conocido como calentamiento de la cavidad). El primer régimen puede usarse, por ejemplo, para reducir la ocupación térmica del sistema y se usa comúnmente para aplicaciones relativas al procesado de información cuántica. Sin embargo, la amplificación de fonones, que puede ser desarrollada a temperatura ambiente, ha permitido conseguir alcanzar incluso las condiciones necesarias para obtener láseres de fonones, lo cual permite poder usar esta característica como elemento de referencia en aplicaciones relativas al procesado de señales de radiofrecuencia (RF).

En esta tesis se aborda el confinamiento simultáneo y la interacción de fotones y fonones en estructuras periódicas y en guías no suspendidas desarrolladas en sistemas CMOS compatibles basados en tecnología de silicio. A través del estudio experimental de estas estructuras periódicas, hemos demostrado que las cavidades optomecánicas pueden actuar como elementos clave en el dominio de la fotónica de microondas, donde todo el procesado de la información puede ser realizado en el dominio óptico a través de la manipulación de fonones en este sistema. En particular, mostramos que un solo oscilador optomecánico puede actuar tanto como un oscilador local y un mezclador de RF, y éste puede operar como un conversor de frecuencias de señales de cadenas de datos reales. Para mejorar esta funcionalidad, también se demuestra que es posible obtener tanto peines de frecuencias ópticos así como múltiples modos mecánicos confinados, aumentando así su rendimiento. Por otro lado, con el objetivo de poder solventar las posibles limitaciones de estos sistemas, en esta tesis también se exploran diferentes configuraciones que permiten la interacción acusto-óptica simultánea en la misma estructura. Específicamente, se analiza la interacción optomecánica en discos de alto índice que soportan estados cuasi-ligados en el continuo así como una propuesta de guías no suspendidas que soportan altas ganancias de Brillouin. Este último estudio debería permitir el desarrollo de sistemas optomecánicos no suspendidos donde el problema de la pérdida de fonones hacia el sustrato se resuelva, hecho que permitiría enormemente simplificar la fabricación de estos sistemas optomecánicos en chips de silicio así como su uso en múltiples aplicaciones.

[CA] L'optomecànica de cavitats s'ocupa de la interacció entre la llum i la matèria a través de l'efecte de pressió de radiació quan les ones òptiques i mecàniques implicades estan confinades en una cavitat. En aquests sistemes optomecànics, la interacció entre fotons i fonons dona lloc a multitud de fenòmens en funció de les condicions de les condicions en les quals s'excita el sistema. En particular, es poden obtindre dos règims diferents en els quals es pot, o bé, absorbir fonons (denominat com a refredament de la cavitat), o bé, es poden amplificar (règim conegut com a calfament de la cavitat). El primer règim pot usar-se, per exemple, per a reduir l'ocupació tèrmica del sistema i s'usa comunament per a aplicacions relatives al processament d'informació quàntica. No obstant això, l'amplificació de fonons, que pot ser desenvolupada a temperatura ambient, ha permés aconseguir fins i tot les condicions necessàries per a obtindre làsers de fonons, la qual cosa permet poder usar aquesta característica com a element de referència en aplicacions relatives al processament de senyals de radiofreqüència (RF). En aquesta tesi s'aborda el confinament simultani i la interacció de fotons i fonons en estructures periòdiques i en guies no suspeses en sistemes CMOS compatibles basats en tecnologia de silici. A través de l'estudi experimental d'aquestes estructures periòdiques, hem demostrat que les cavitats optomecàniques poden actuar com a elements clau en el domini de la fotònica de microones, on tot el processament de la informació pot ser realitzat en el domini òptic a través de la manipulació de fonons en aquest sistema. En particular, vam mostrar que només un oscil·lador optomecànic pot actuar tant com un oscil·lador local i un mesclador de RF, i aquest pot operar com un convertidor de freqüències de senyals de cadenes de dades reals. Per a millorar aquesta funcionalitat, també es demostra que és possible obtindre tant tren de freqüències òptics així com múltiples modes mecànics confinats, augmentant així el seu rendiment. D'altra banda, amb l'objectiu de poder solucionar les possibles limitacions d'aquests sistemes, en aquesta tesi també s'exploren diferents configuracions que permeten la interacció acusto-òptica simultània en la mateixa estructura. Específicament, s'analitza la interacció optomecànica en discos d'alt índex que suporten estats quasi-lligats en el continu així com una proposta de guies no suspeses que suporten altes ganancies de Brillouin. Aquest últim estudi hauria de permetre el desenvolupament de sistemes optomecànics no suspesos on el problema de la pèrdua de fonons cap al substrat es resolga, fet que permetria enormement simplificar la fabricació d'aquests sistema optomecànics en xips de silici així com el seu ús en diverses aplicacions.

[EN] Cavity optomechanics deals with the interaction of light and matter through the radiation pressure effect, when the involved optical and mechanical waves are confined in a cavity. In optomechanical systems, photon and phonon interaction give rise to a plethora of phenomena as a function of the driving conditions of the system. Relative to that, two distinctive regimes can be obtained which enable either the absorption of phonons (cavity cooling) or their amplification (cavity heating). The first regime can be used to reduce the thermal occupancy of the system and it is commonly used for quantum processing information applications. However, the amplification of phonons, which can be performed at room temperature, has enabled to even reach phonon lasing conditions, a feature that could be used as a reference element for RF processing applications.

In this thesis, we address the simultaneous confinement and interaction of photons and phonons in periodic structures and unreleased waveguides on CMOS-compatible silicon-based technology. Throughout the experimental study of those periodic structures, we demonstrate that optomechanical cavities can perform as key blocks in the microwave photonics domain where all the information processing can be performed in the optical domain through phonon manipulation. In particular, we show that a single optomechanical oscillator can perform as both a local oscillator and an RF mixer, and it can operate as a frequency-converted of real data stream signals. To improve its performance, it is also demonstrated that optical frequency combs can be obtained by means of this system and multiple mechanical mode confinement can also be achieved, thus improving the functionality of the system. On the other hand, in order to fulfill the possible limitations of those systems, we explore different configurations enabling the simultaneous acousto-optic interaction together into the same structure. Especially, optomechanical interaction in high-index disks supporting quasi-bound states in the continuum is addressed, as well as a proposal of unreleased waveguides supporting strong Brillouin gains is also reported. The last one should lead to unreleased optomechanical interacting systems where the issue of phonon leakage into the substrate is solved, which could enormously simplify the fabrication of optomechanical systems in silicon chips as well as their practical use in multiple applications.