Une équipe de physicien(ne)s du C2N et du centre de recherche de Thalès ont réussi à fabriquer un oscillateur optomécanique, conçu à base d’un cristal bichromatique unidimensionnel ultra-compact, capable de fonctionner à 3 GHz à température ambiante.
Les oscillateurs sont des dispositifs capables de produire un signal périodique de grande pureté et sont utilisés dans de nombreux domaines industriels et de nombreuses applications quotidiennes. Cependant, ils fonctionnent généralement assez mal à basses fréquences, avec une mauvaise stabilité de phase et nécessitent une architecture assez volumineuse. Pour des applications dans les domaines des télécommunications ou du positionnement par satellite, les oscillateurs dans la gamme de fréquences du gigahertz sont des éléments de base indispensables. Fabriquer un oscillateur à la fois compact et capable de fonctionner à ces fréquences, tout en conservant une stabilité élevée, reste à ce jour un défi à relever. Les résonateurs optomécaniques, qui exploitent l'interaction entre un mode optique et un mode de vibration mécanique, colocalisés et confinés au centre du résonateur, ont été activement étudiés ces dernières années et peuvent répondre à l’ensemble de ces défis.
Dans ce contexte, une équipe du C2N, en collaboration avec Thalès Research and Technology, a développé un composant optomécanique fabriqué en InGaP* en utilisant un concept de nanoingénierie basé sur un cristal unidimensionnel bichromatique optomécanique. La lecture optique du mouvement brownien de ces structures ultra-compactes, dans des conditions atmosphériques, permet de mettre en évidence des modes mécaniques proche de 3 GHz avec un facteur de qualité mécanique à l’état de l’art (quelques milliers). Ces résultats ont fait l’objet d’une publication dans APL Photonics.
Dans ces conditions et pour un résonateur libre (sans boucle de rétroaction externe), des oscillations optomécaniques auto-entretenues sont systématiquement obtenues directement à la fréquence mécanique avec un seuil de puissance optique d’excitation faible (de l’ordre de 40 µW). La largeur de raie du mode mécanique est alors réduite jusqu’à 100 Hz. De fait et en accord avec les mesures de bruit de phase, la pureté spectrale du mode mécanique est améliorée de plus d’un facteur 10000.
Ces cristaux optomécaniques présentent un potentiel unique pour devenir des oscillateurs hyperfréquences stables ultra-compacts avec des propriétés comparables à l'état de l'art mais directement aux fréquences GHz et sans étages de multiplicateurs de fréquences, avec l’avantage de fournir une sortie optique, pratique pour la distribution du signal sur puce. De surcroît, ces dispositifs en matériau piézoélectrique peuvent être équipés de transducteurs piézo-électriques et hybridé sur un circuit silicium photonique afin d'être utilisés pour la conversion micro-ondes en optique et des oscillateurs optoélectroniques miniaturisés plus élaborés avec des schémas d’auto stabilisation.
* composant semiconducteur en phosphure de gallium d’indium. Les faibles pertes optiques due à une faible absorption à deux photons et ses propriétés piézoélectrique en font un matériau précieux pour l’optomécanique et d’autres applications en photonique.
Référence :
Optomechanical Gigahertz Oscillator made of a Two Photon Absorption free piezoelectric III/V semiconductor,
I. Ghorbel1,2, F. Swiadek2, R. Zhu1, D. Dolfi2, G. Lehoucq2, A. Martin2, G. Moille2, L. Morvan2, R. Braive1, S. Combrie2 & A. De Rossi2
APL Photonics, Novembre 2019
DOI: https://doi.org/10.1063/1.5121774
- Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/UPSaclay)
- Thales Research and Technology, Palaiseau, France
Contact :
- Rémy Braive, Maître de Conférence Université de Paris au C2N
- Ines Ghorbel, Doctorante au C2N et à Thalès TRT
Figure : (Vue de profil) Image en microscopie électronique à balayage de la cavité optomécanique suspendue. (Vue de dessus) Zoom sur le centre de la cavité confinant à la fois l’optique et la mécanique. Les trous au centre et les indentations aux bords de la poutre avec une périodicité différentes induisent le charactère bichromatique du confinement. Copyright C2N/Thalès TRT
