Title (eng)
Advanced membrane architectures for multimode optomechanics
Parallel title (deu)
Fortgeschrittene Membran-Architekturen für Multimode-Optomechanik
Author
Claus-Markus Gärtner
Advisor
Markus Aspelmeyer
Assessor
Albert Schliesser
Silvian Schmid
Abstract (deu)
Optomechanik studiert die Wechselwirkungen zwischen Licht und mechnischer Bewegung. Ihr Fortschritt ist wesentlich mit der Herstellung neuer Bauelemente mit außergewöhnlichen optischen und mechanischen Eigenschaften verknüpft. Um mechanische Systeme in das Quanten-Regime zu bringen bedarf es optomechanischer Kopplungen, die es erlauben in das Regime starker Kooperativität einzudringen, sodass die durch den Hohlraum-Resonator erhöhte kohärente Kopplungsrate die optischen und mechanischen Dekohärenzraten übertrifft. In optomechanischen Freiraum-Experimenten lag der jüngste Fokus überwiegend auf der Verwendung von dünnen Membranen mit kleiner Dekohärenz, während die Kopplungsstärke grundsätzlich niedrig blieb. Allerdings erfahren die Membranen, sobald sie in optischen Hohlraum-Resonatoren eingebunden werden, höhere akustische Strahlungsverluste, das letztendlich das Erlangen voller Quanten-Kontrolle dieser makroskopischen Objekte verhindert.
In dieser Arbeit überwinden wir die Herausforderung der durch das Festklammern induzierten akustischen Strahlungsverluste durch die Herstellung phononischer Bandstrukturen, die die Membranmoden
von der Umgebung entkoppeln. Unsere quadratischen Membranen mit 350 µm Seitenlänge weisen Eigenfrequenzen von mehr als 1 MHz auf, ein wesentliches Merkmal um Effekte klassischen Laser-Rauschens zu minimieren. Wir messen einheitlich/konsistent hohe, befestigungsunabhängige Gütefaktoren von 2 Millionen (7 Millionen) bei Raumtemperatur (Tieftemperaturen) für alle Moden innerhalb der konzipierten Bandlücke, welche nun intrinsisch durch die Membrandimensionen und Materialqualität bestimmt sind. Damit ist es nun möglich das starke Kooperativitäten-Regime für eine Vielzahl an Moden zu erreichen, das den Weg zu der Beobachtung von Quanteneffekten, wie zum Beispiel der stationären Verschränkung zwischen Licht und Mechanik, bereitet. In einem zweiten Ansatz zum Erreichen starker Kooperativitäten zielt auf der alleinigen Erhöhung der Kopplungsstärke ab. Optomechanische Arrays bestehend aus Photonischen Kristall Membranen stellen optimale Kandidaten für dieses Bestreben dar. Diese Arrays versprechen Kopplungserhöhungen mehrerer Größenordnungen, was von der Länge und Finesse des Arrays abhängt. Wir realisieren DoppelMembran-Arrays, bestehend aus zwei hoch-reflektierenden SiliziumNitrid Membranen, die monolithisch aus einem einzigen Chip fabriziert wurden. Wir charakterisieren die optischen Spektren und Verluste dieser 200 µm langen Fabry-Pérot Hohlräume und messen Finesse-Werte von bis zu 140, welche gegenwährtig durch Beugungsverluste aufgrund ihrer planparallelen Anordnung limitiert sind. Wir demonstrieren Kopplungserhöhungen für die MassenschwerpunktsMode im Vergleich zu dem Fall mit einer einzelnen Membran. Wenn diese Arrays auf Resonanz betrieben und damit die relative Kollektivbewegung beider Membranen ausgenutzt wird, dann versprechen diese Arrays Erhöhungen der Kooperativität von ungefähr vier Größenordnungen mit unseren derzeitigen Systemparametern. Die Kombination beider Strategien sowohl die Kopplungsstärke signifikant zu erhöhen, als auch konsistent niedrige Dekohärenzraten
zu gewährleisten, ebnet möglicherweise den Weg volle, kohärente Quantenkontrolle dieser massiven, makroskopischen mechanischen Objekte zu erlangen.
Abstract (eng)
Cavity optomechanics studies the interactions between light and mechanical motion. Its advancements are intrinsically linked to the fabrication of novel devices with superior optical and mechanical properties. Driving mechanical systems into the quantum regime requires the optomechanical coupling to enter the regime of strong cooperativity, in which the cavity-enhanced coherent coupling rate exceeds both the
optical and mechanical decoherence rates. Recent efforts have focused predominantly on employing thin membranes, which can feature small decoherence rates. The coupling strength in these macroscopic optomechanical systems, however, is inherently weak. Additionally, when clamped in optical cavities, membranes are susceptible to acoustic radiation loss, which ultimately precludes obtaining full coherent quantum control of these macroscopic objects. In this thesis, we overcome the challenge of clamping-induced acoustic radiation loss by fabricating phononic bandgap structures that decouple the membrane modes from the environment. Our square membranes of 350 µm in side length exhibit mechanical frequencies above 1 MHz, a crucial feature in order to minimize effects of classical laser noise. We measure consistently high, clamping-independent quality factors of 2 million (7 million) at room (cryogenic) temperature for all modes within the designed bandgap that are now intrinsically limited
by the membrane dimensions and thin-film quality. This enables the optomechanical system to enter the multimode strong cooperativity regime provided sufficient laser power. This paves the way towards
the observation of quantum effects such as stationary entanglement between light and mechanics.
In a second approach towards accomplishing strong cooperativity we focus on increasing solely the coupling strength. Optomechanical arrays consisting of photonic crystal membranes constitute ideal candidates for this endeavor. These arrays promise coupling enhancements by orders of magnitude, depending on the cavity array finesse and length. Here we realize double-membrane arrays consisting of two high-reflectivity SiN membranes monolithically fabricated on a single chip.We characterize the optical spectra and losses of these 200 µm long Fabry-Pérot cavities, measuring finesse values of up to 140, currently limited by diffraction losses due to their plane-parallel configuration. We demonstrate coupling enhancements for the center-of-mass mode with respect to the single-membrane case. When operated on resonance, thus addressing the collective breathing mode, these arrays promise cooperativity enhancements of four orders of magnitude for our current system parameters. Combining both approaches of simultaneously increasing the coupling strength whilst maintaining membranes of consistently low decoherence paves the way towards obtaining full coherent quantum control of these massive mechanical objects.
Keywords (eng)
Optomechanicsfabricationmembrane architecturesoptomechanical arrayssilicon nitridephotonic crystalsphononic bandgapsindium gallium phosphideIII-V semiconductor membranes
Keywords (deu)
OptomechanikFabrikationMembran-ArchitekturenOptomechanische ArraysSiliziumnitridIndiumgalliumphosphidphotonische Kristallephononische BandlückenIII-V Halbleiter-Membranen
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1389640
rdau:P60550 (deu)
xxxi, 197 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
231
Association (deu)
Title (eng)
Advanced membrane architectures for multimode optomechanics
Parallel title (deu)
Fortgeschrittene Membran-Architekturen für Multimode-Optomechanik
Author
Claus-Markus Gärtner
Abstract (deu)
Optomechanik studiert die Wechselwirkungen zwischen Licht und mechnischer Bewegung. Ihr Fortschritt ist wesentlich mit der Herstellung neuer Bauelemente mit außergewöhnlichen optischen und mechanischen Eigenschaften verknüpft. Um mechanische Systeme in das Quanten-Regime zu bringen bedarf es optomechanischer Kopplungen, die es erlauben in das Regime starker Kooperativität einzudringen, sodass die durch den Hohlraum-Resonator erhöhte kohärente Kopplungsrate die optischen und mechanischen Dekohärenzraten übertrifft. In optomechanischen Freiraum-Experimenten lag der jüngste Fokus überwiegend auf der Verwendung von dünnen Membranen mit kleiner Dekohärenz, während die Kopplungsstärke grundsätzlich niedrig blieb. Allerdings erfahren die Membranen, sobald sie in optischen Hohlraum-Resonatoren eingebunden werden, höhere akustische Strahlungsverluste, das letztendlich das Erlangen voller Quanten-Kontrolle dieser makroskopischen Objekte verhindert.
In dieser Arbeit überwinden wir die Herausforderung der durch das Festklammern induzierten akustischen Strahlungsverluste durch die Herstellung phononischer Bandstrukturen, die die Membranmoden
von der Umgebung entkoppeln. Unsere quadratischen Membranen mit 350 µm Seitenlänge weisen Eigenfrequenzen von mehr als 1 MHz auf, ein wesentliches Merkmal um Effekte klassischen Laser-Rauschens zu minimieren. Wir messen einheitlich/konsistent hohe, befestigungsunabhängige Gütefaktoren von 2 Millionen (7 Millionen) bei Raumtemperatur (Tieftemperaturen) für alle Moden innerhalb der konzipierten Bandlücke, welche nun intrinsisch durch die Membrandimensionen und Materialqualität bestimmt sind. Damit ist es nun möglich das starke Kooperativitäten-Regime für eine Vielzahl an Moden zu erreichen, das den Weg zu der Beobachtung von Quanteneffekten, wie zum Beispiel der stationären Verschränkung zwischen Licht und Mechanik, bereitet. In einem zweiten Ansatz zum Erreichen starker Kooperativitäten zielt auf der alleinigen Erhöhung der Kopplungsstärke ab. Optomechanische Arrays bestehend aus Photonischen Kristall Membranen stellen optimale Kandidaten für dieses Bestreben dar. Diese Arrays versprechen Kopplungserhöhungen mehrerer Größenordnungen, was von der Länge und Finesse des Arrays abhängt. Wir realisieren DoppelMembran-Arrays, bestehend aus zwei hoch-reflektierenden SiliziumNitrid Membranen, die monolithisch aus einem einzigen Chip fabriziert wurden. Wir charakterisieren die optischen Spektren und Verluste dieser 200 µm langen Fabry-Pérot Hohlräume und messen Finesse-Werte von bis zu 140, welche gegenwährtig durch Beugungsverluste aufgrund ihrer planparallelen Anordnung limitiert sind. Wir demonstrieren Kopplungserhöhungen für die MassenschwerpunktsMode im Vergleich zu dem Fall mit einer einzelnen Membran. Wenn diese Arrays auf Resonanz betrieben und damit die relative Kollektivbewegung beider Membranen ausgenutzt wird, dann versprechen diese Arrays Erhöhungen der Kooperativität von ungefähr vier Größenordnungen mit unseren derzeitigen Systemparametern. Die Kombination beider Strategien sowohl die Kopplungsstärke signifikant zu erhöhen, als auch konsistent niedrige Dekohärenzraten
zu gewährleisten, ebnet möglicherweise den Weg volle, kohärente Quantenkontrolle dieser massiven, makroskopischen mechanischen Objekte zu erlangen.
Abstract (eng)
Cavity optomechanics studies the interactions between light and mechanical motion. Its advancements are intrinsically linked to the fabrication of novel devices with superior optical and mechanical properties. Driving mechanical systems into the quantum regime requires the optomechanical coupling to enter the regime of strong cooperativity, in which the cavity-enhanced coherent coupling rate exceeds both the
optical and mechanical decoherence rates. Recent efforts have focused predominantly on employing thin membranes, which can feature small decoherence rates. The coupling strength in these macroscopic optomechanical systems, however, is inherently weak. Additionally, when clamped in optical cavities, membranes are susceptible to acoustic radiation loss, which ultimately precludes obtaining full coherent quantum control of these macroscopic objects. In this thesis, we overcome the challenge of clamping-induced acoustic radiation loss by fabricating phononic bandgap structures that decouple the membrane modes from the environment. Our square membranes of 350 µm in side length exhibit mechanical frequencies above 1 MHz, a crucial feature in order to minimize effects of classical laser noise. We measure consistently high, clamping-independent quality factors of 2 million (7 million) at room (cryogenic) temperature for all modes within the designed bandgap that are now intrinsically limited
by the membrane dimensions and thin-film quality. This enables the optomechanical system to enter the multimode strong cooperativity regime provided sufficient laser power. This paves the way towards
the observation of quantum effects such as stationary entanglement between light and mechanics.
In a second approach towards accomplishing strong cooperativity we focus on increasing solely the coupling strength. Optomechanical arrays consisting of photonic crystal membranes constitute ideal candidates for this endeavor. These arrays promise coupling enhancements by orders of magnitude, depending on the cavity array finesse and length. Here we realize double-membrane arrays consisting of two high-reflectivity SiN membranes monolithically fabricated on a single chip.We characterize the optical spectra and losses of these 200 µm long Fabry-Pérot cavities, measuring finesse values of up to 140, currently limited by diffraction losses due to their plane-parallel configuration. We demonstrate coupling enhancements for the center-of-mass mode with respect to the single-membrane case. When operated on resonance, thus addressing the collective breathing mode, these arrays promise cooperativity enhancements of four orders of magnitude for our current system parameters. Combining both approaches of simultaneously increasing the coupling strength whilst maintaining membranes of consistently low decoherence paves the way towards obtaining full coherent quantum control of these massive mechanical objects.
Keywords (eng)
Optomechanicsfabricationmembrane architecturesoptomechanical arrayssilicon nitridephotonic crystalsphononic bandgapsindium gallium phosphideIII-V semiconductor membranes
Keywords (deu)
OptomechanikFabrikationMembran-ArchitekturenOptomechanische ArraysSiliziumnitridIndiumgalliumphosphidphotonische Kristallephononische BandlückenIII-V Halbleiter-Membranen
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1389641
Number of pages
231
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