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Publié le 4 novembre 2020

Une approche « plug-and-play » pour des systèmes nano-acoustiques intégrés

De la vibration des cordes des instruments de musique aux microsystèmes électromécaniques pour l’optoélectronique, les  vibrations couvrent une large gamme d’applications. Alors qu’à l’échelle macroscopique  nous connaissons très bien ces vibrations dans l’air, c’est-à-dire le son ; à l’échelle nanométrique, l'étude des vibrations mécaniques pose plusieurs défis et ouvre un terrain de jeu quasi infini pour les nanotechnologies. Les potentiels avantages des vibrations contrôlées dans la gamme de fréquences GHz-THz comprennent une meilleure gestion du transport thermique, de nouvelles technologies acoustiques quantiques, l’amélioration des dispositifs optoélectroniques et le développement de nouveaux capteurs à l'échelle nanométrique. Cependant, les techniques optiques standard utilisées pour générer, détecter et manipuler ces vibrations souffrent de problèmes de stabilité mécanique, d'une reproductibilité des résultats expérimentaux limitée et nécessitent généralement de grandes densités de puissance optique auxquelles de nombreux échantillons ne résistent pas. Des chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS / Université Paris Saclay) et Quandela SAS, ont proposé une nouvelle stratégie qui résout simultanément ces problèmes en intégrant des systèmes fibrés dans des expériences pompe-sonde, remplaçant les protocoles d'alignements optiques complexes par un dispositif « plug-and-play ».

Les chercheurs ont testé cette nouvelle approche avec une fibre monomode collée sur un micropilier opto-phononique. Ils ont réalisé des expériences pompe-sonde où le seul alignement optique requis consiste à superposer spatialement le mode optique du micropilier avec le coeur de la fibre et à les coller ensemble. Une exigence critique dans les expériences pompe-sonde est de détecter exclusivement le faisceau sonde et de rejeter toute contribution du faisceau pompe sur le détecteur optique. La manière commune pour réaliser cette condition est d'utiliser des faisceaux de pompe et de sonde avec des polarisations croisées. Pour surmonter la rotation de polarisation due à la fibre monomode, les chercheurs ont combiné leur approche de la fibre avec un contrôle de polarisation optique, ce qui a abouti à un schéma fibré avec polarisation croisée. Le dispositif fibré permet d’obtenir des signaux pompe-sonde stables pendant plus de quarante heures et peut fonctionner à de très faibles puissances d'excitation inférieures à 1µW pour détecter les vibrations à l'échelle nanométrique. Le travail a été publié dans Applied Physics Letters, et les éditeurs l'ont sélectionné comme article à la une.

Le micropillier optophononique fibré constitue une plateforme améliorée pour des expériences pompe-sonde « plug-and-play » reproductibles dans des microstructures individuelles. Cela supprime la nécessité de configurations optiques complexes à coupler aux microstructures. De plus, la stabilité démontrée et la commodité d'un connecteur de fibre en tant que seul élément nécessaire pour interfacer un échantillon avec une configuration expérimentale existante le rendent transportable et permet d'obtenir des mesures cohérentes à partir du même appareil dans n'importe quel laboratoire dans le monde. Ces résultats démontrent la synergie présente au C2N, où les efforts conjugués d'installations de nanofabrication, de groupes de recherche et d'entreprises privées de premier plan au niveau international ont un impact remarquable dans le monde scientifique.

 

Contacts:

Celine Lashermes (Service communication – C2N)

Daniel Lanzillotti-Kimura (Chercheur C2N)

 

Pour plus d’informations: 

O. Ortiz et al. Fiber-integrated microcavities for efficient generation of coherent acoustic phonons, Appl. Phys. Lett. 117, 183102 (2020). DOI: 10.1063/5.0026959

Journal: Applied Physics Letters

Figure : En haut à gauche : Image MEB du micropilier optophonique, et système fibré. En haut à droite : Spectre acoustique du résonateur nanomécanique. En bas : trace temporelle mesurée en utilisant une configuration pompe-sonde fibrée  pour générer des phonons cohérents.