Ingénierie d'un OMO micro-onde intégré et retardé : vers un contrôle de rétroaction acoustique sur puce

Engineering of an integrated time-delayed microwave OMO : towards an on-chip acoustic feedback control

• Auteur / Autrice : Giuseppe Modica
• Direction : Isabelle Sagnes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/11/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Simon Gröblacher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simon Gröblacher, Sarah Benchabane, Mehdi Alouini, Dries Van Thourhout, Rémy Braive
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sarah Benchabane, Mehdi Alouini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillateurs

Cristaux phononiques

Ondes sonores

Optomécanique

Mots clés libres

Cristaux optomécanique

Ondes acoustiques

Cristaux phononiques

Nanofabrication

Oscillateurs

Optomechanical Crystals

Acoustic waves

Phononic Crystals

Nanofabrication

Oscillators

Résumé

Une nouvelle génération d'oscillateurs basés sur des cristaux optomécaniques intégrés sur un circuit photonique pourrait permettre de générer des signaux de haute pureté spectrale et de faible bruit de phase directement aux fréquences micro-ondes. Un tel système permettrait une intégration facile sur puce à l'échelle micrométrique, où l'absence de source miniaturisée de bonne qualité reste un problème grave. Dans le cadre de cette thèse, l'architecture proposé, utilise trois éléments distincts (i) le résonateur constituée d'un cristal photonique 1D suspendu sur un guide d'onde en silicium, siège à la fois de mode optique autour de 1,55 µm et de mode mécanique autour de quelques GHz ; (ii) les transducteurs interdigités (IDT) permettant l'excitation acoustique et un contrôle mécanique complet de la structure oscillante ; (iii) des guides d'ondes à cristaux phononiques ouvrira une nouvelle voie pour concevoir la vitesse de groupe des ondes acoustiques afin d'obtenir le délai souhaité pour la stabilisation des oscillations. Ces trois éléments constitutifs d'un tel système ont été étudiées au cours de cette thèse. Ils seront introduits et discutés séparément dans le corps principal du manuscrit. Chacun d'entre eux a été étudié en profondeur de la simulation jusqu'à la mesure en passant par la conception et la nanofabrication. Cela nous permettra de montrer les principes de fonctionnement de ces différents systèmes ainsi que les techniques spécifiques d'optimisation mise en place. Une fois réalisé, cela nous permettra de démontrer les objectifs visés pour la mise en œuvre finale d'un dispositif complet. Ainsi, un premier prototype de système complet intégrant un oscillateur optomécanique, un IDT et un guide d'onde phononique sera présenté, avec des résultats préliminaires montrant les interactions entre les différents domaines physiques impliqués. Le système proposé peut ensuite être exploité pour des applications embarquées potentielles telles que les systèmes de navigation et de télécommunication, la métrologie ou la détection.

A new generation of oscillators based on optomechanical crystals integrated on photonic circuit could lead to the generation of high spectral purity and low phase noise signals directly at the micro-wave frequency. Such device would allow an easy on chip integration at μm scale, where the lack of good quality and miniaturized source is still a severe issue. Here, the architecture we proposed, uses three distinct elements (i) a resonator made by a 1D photonic crystal nanobeam suspended over a silicon waveguide, sustaining at the same time optical modes around 1.55 μm and mechanical modes around a few GHz; (ii) interdigitated transducers (IDTs) allowing the acoustical excitation and thus a full control of the oscillating structure; (iii) a phononic crystal waveguides to engineer the group velocity of the acoustical waves in order to achieve the desired delay for the stabilization of the oscillations. These three building blocks composing such a system have been carefully investigated during this thesis. They will be singularly introduced and discussed in the main body of the manuscript. Each of them has been studied in depth with simulation, design, nanofabrication and measurements. It will allow us to show the working principles of these integrated systems as well as the specific optimization techniques implemented. Once achieved, this will allow us to demonstrate the targeted objectives for the final implementation in the envisioned complete device. Finally, a first prototype of a complete system integrating an optomechanical oscillators, an IDT and a phononic waveguide will be presented, with preliminary results showing the interactions between the different involved physical domains. The proposed system can be then exploited for potential on-board applications such as navigation and telecommunication systems, metrology or sensing.