Contribution à l'étude des origines du bruit en 1/f dans les résonateurs à onde acoustique de vol

Study on the origin of 1/f in bulk acoustic wave resonators

• Auteur / Autrice : Santunu Ghosh
• Direction : Fabrice Sthal, Michel Devel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 17/10/2014
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Jury : Président / Présidente : Olivier Llopis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Sthal, Michel Devel, Joël Imbaud, Gilles Cibiel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ludovic Bellon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cavités résonnantes (acoustique)

Mots clés libres

Bruit 1/f

Résonateurs acoustiques

Quartz, bruit de phase

Mesures passives

Théorème de fluctuation dissipation

Stabilité court-terme

1/f noise

Acoustic resonators

Quartz crystal

Phase noise

Passive measurements

Fluctuation-dissipation theorem

Short-term stability

Résumé

Depuis quelques décennies, la technologie de contrôle de la fréquence a été au coeur de l'électronique des tempsmodernes grâce à son vaste domaine d'applications dans les systèmes de communication, les ordinateurs, les systèmesde navigation ou de défense militaire. Les dispositifs temps-fréquence fournissent des stabilités de fréquence et despuretés spectrales élevées dans le domaine de la stabilité court-terme. L'amélioration de la performance de cesdispositifs reste un grand défi pour les chercheurs. La réduction du bruit afin d'augmenter cette stabilité court-terme etd'éviter les commutations non souhaitées entre les canaux est donc très souhaitable. Il est communément admis que lalimitation fondamentale à cette stabilité court-terme est due au bruit flicker de fréquence des résonateurs. Dans cemanuscrit, un premier chapitre rappelle quelques faits de base sur l’acoustique, la cristallographie et les définitions dudomaine temps-fréquence nécessaires à l’étude des résonateurs et oscillateurs ultra-stables. Le deuxième chapitre estconsacré à un résumé de la littérature sur le bruit de fréquence en 1/f. Ensuite, le troisième chapitre concerne nos étudessur le modèle quantique de bruit en 1/f du Pr. Handel, qui, bien que critiqué par beaucoup, est encore le seul qui fournitune estimation de l'amplitude de plancher de bruit en 1/f et qui n'est pas infirmé par les données expérimentales. Dans lequatrième chapitre, une autre approche, basée sur le théorème de fluctuation-dissipation, est utilisée afin de mettre descontraintes numériques sur un modèle de bruit en 1/f causé par une dissipation interne (ou de structure) proportionnelleà l'amplitude, et non à la vitesse. Le dernier chapitre est consacré aux résultats expérimentaux. Le design et lesparamètres du résonateur ultra-stable utilisé lors de cette étude sont décrits. Les mesures de bruit de phase sur plusieurslots de résonateurs sont données. Les mesures des paramètres de résonateur ont été effectuées à basse température afinde les corréler avec les résultats de bruit. Afin d'évaluer rapidement la qualité des différents résonateurs, une autreapproche dans le domaine temporel a été testée. Elle utilise des oscillations pseudo-périodiques transitoires mettant lesoscilloscopes numériques actuellement disponibles à leurs limites de capacité. Enfin, les conclusions et perspectivessont présentées.

Since a few decades, frequency control technology has been at the heart of modern day electronics due to its huge areaof applications in communication systems, computers, navigation systems or military defense. Frequency controldevices provide high frequency stabilities and spectral purities in the short term domain. However, improvement of theperformance of these devices, in terms of frequency stability, remains a big challenge for researchers. Reducing noise inorder to increase the short term stability and avoid unwanted switching between channels is thus very desirable. It iscommonly admitted that the fundamental limitation to this short-term stability is due to flicker frequency noise in theresonators. In this manuscript, a first chapter recalls some basic facts about acoustic, crystallography and definitions oftime and frequency domain needed to explore ultra-stable resonators and oscillators. The second chapter is devoted to asummary of the literature on flicker frequency noise. Then, the third chapter concerns our studies on Handel’s quantum1/f noise model, which although criticized by many, is still the only one that provides an estimation of the flooramplitude of 1/f noise that is not invalidated by experimental data. In the fourth chapter, another approach, based on thefluctuation-dissipation theorem, is used in order to put numerical constraints on a model of 1/f noise caused by aninternal (or structural) dissipation proportional to the amplitude and not to the speed. The last chapter is devoted toexperimental results. An ultra-stable resonator used during this study is described. Phase noise measurements on severalbatches of resonators are given. Measurements of resonator parameters have been done at low temperature in order tocorrelate them with noise results. Another approach with a procedure that use transient pseudo periodic oscillations andput to their limits the capacities of presently available digital oscilloscopes, is presented, in order to assess rapidly thequality of various resonators. Finally, conclusions and perspectives are given.