Un réseau de Bragg à fibre lentillée

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 4937 (2022) Citer cet article

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Les systèmes optomécaniques bénéficient du couplage entre un champ optique et des vibrations mécaniques. Les appareils basés sur la fibre sont bien adaptés pour exploiter facilement cette interaction. Nous rapportons une approche alternative d'une membrane de nitrure de silicium au milieu d'un facteur de qualité élevé (\(10^6\)–\(10^7\)) Fabry-Pérot, formée par un réseau inscrit dans une fibre. noyau comme miroir d’entrée devant un miroir arrière diélectrique. La technique Pound – Drever – Hall utilisée pour stabiliser la fréquence laser sur la fréquence de résonance optique nous permet de réduire le bruit basse fréquence jusqu'à \({4}\,{{\mathrm{kHz}}/\sqrt{\mathrm{ Hz}}}\). Nous présentons une méthodologie détaillée pour la caractérisation des propriétés optiques et optomécaniques de ce système stabilisé, en utilisant diverses géométries de membrane, avec des fréquences de résonance correspondantes de l'ordre de plusieurs centaines de \({\mathrm{kHz}}\). L'excellente stabilité à long terme est illustrée par des mesures continues du spectre du bruit thermomécanique sur plusieurs jours, la source laser étant maintenue en résonance optique. Ce résultat majeur fait de ce système un candidat idéal pour la détection optomécanique.

L'optomécanique des cavités explore l'interaction mutuelle du rayonnement électromagnétique et du déplacement mécanique à l'aide de résonateurs optiques et mécaniques. Ce couplage a été exploré dans une grande variété de systèmes en vrac, du Fabry – Perot avec un micromiroir suspendu1 à la membrane mécanique au milieu (décrite ci-après sous le nom de MIM) d'une telle cavité2. Plusieurs dispositifs intégrés à l'échelle nanométrique ont également été mis en œuvre, tels que des microdisques suspendus3, des systèmes à cristaux photoniques et phoxoniques4,5,6, ou des configurations basées sur des résonateurs en mode galerie chuchotante7,8,9,10,11.

Les deux dernières décennies ont également vu l’apparition de nombreux systèmes optomécaniques fibrés pour diverses applications. Utilisant des facettes d'extrémité concaves de fibres recouvertes d'un réseau de Bragg hautement réfléchissant, formées par usinage laser \(\hbox {CO}_2\) (ablation laser des extrémités des fibres)12, d'une finesse élevée à ultra-élevée (entre \(10^3\) et \(10^5\)) des cavités optomécaniques à base de fibres peuvent être construites. Ces configurations constituent une excellente base pour le système « résonateur mécanique au milieu », où les propriétés mécaniques du résonateur et la finesse optique de la cavité peuvent être optimisées indépendamment (contrairement au Fabry-Pérot avec un miroir suspendu). Des recherches ont été menées sur les nanorodes de carbone13 et les nanotubes14 au milieu de telles cavités, avec mesure optique de leur mouvement brownien. D'autres groupes ont travaillé sur l'introduction d'une membrane en nitrure de silicium à facteur de qualité élevé : la première étude sur cette configuration MIM à base de fibres a réalisé l'observation d'une rétroaction dynamique avec une interaction optomécanique dispersive (décalage de la fréquence de résonance optique induite par le déplacement mécanique), avec Décalage de fréquence de résonance mécanique induit optiquement (effet ressort optique) et amortissement optomécanique15. Des configurations similaires ont été construites depuis, avec les observations de rétroaction dynamique associées, avec diverses autres propriétés intéressantes, de l'hybridation de modes mécaniques à médiation optique 16 à l'interaction optomécanique dissipative supplémentaire (décalage des pertes optiques avec le déplacement mécanique) 17,18. Enfin, le groupe d'Eyal Buks a travaillé sur diverses cavités optomécaniques basées sur des réseaux de Bragg à fibres (FBG). Leurs systèmes sont composés d'un réseau de Bragg hautement réfléchissant inscrit sur le cœur d'une fibre, qui sert de miroir d'entrée statique d'une cavité Fabry-Pérot à \(\lambda ={1.55}\,{\upmu \text {m} }\), devant un miroir métallique suspendu (structure rectangulaire ou à poutres). La finesse optique dans cette situation est relativement faible (de l'ordre de 10), en raison d'une réflectivité FBG plus faible, par rapport aux pointes de fibres à revêtement Bragg à très faible perte. Ils ont conçu différentes configurations, avec le faisceau métallique directement fixé sur l'extrémité polie de la fibre, induisant un alignement passif19,20,21, ou avec la lumière focalisée sur le résonateur micromécanique au moyen d'une lentille à indice gradué épissé à l'extrémité de la fibre22. ,23. Des oscillations bolométriques auto-entretenues au-dessus d'un certain seuil d'entrée ont été observées, utilisant l'échauffement du miroir métallique dû à l'absorption optique. À notre connaissance, ce sont les seules études portant sur les cavités optomécaniques à base de FBG.