Mechanical nonlinear dynamics of a suspended photonic crystal membrane with integrated actuation

par Avishek Chowdhury

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Isabelle Robert-Philip.

Soutenue le 28-09-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Philippe Boucaud.

Le jury était composé de Isabelle Robert-Philip, Philippe Boucaud, Francesco Marin, Andréa Fiore, Alfredo de Rossi.

Les rapporteurs étaient Francesco Marin, Andréa Fiore.

  • Titre traduit

    Dynamique non linéaire mécanique d’une membrane photonique cristaux suspendu avec actionnement intégrée


  • Résumé

    Les nonlinéarités dans les systèmes nanomécaniques peuvent provenir d’effets dispersif ou dissipatif et ce dans divers systèmes (résistifs, inductifs et capacitifs). Au-delà de l’intérêt fondamental pour tester la réponse dynamique d’un système non-linéaire à plusieurs dégrées de libertés, les nonlinéarités de tels systèmes ouvre la voie vers des capteurs nanomécanique et le traitement du signal. Le résonateur nanomécanique dont la réponse nonlinéaire est étudié, est une membrane suspendue à cristal photonique bidimensionnel utilisée comme miroir déformable. Sa faible masse et sa haute réflectivité en font un candidat idéal pour l’électro-opto-mécanique. L’actuation d’une telle membrane dans le domaine fréquentiel du MHz est rendu possible par des électrodes inter-digitées en dessous de la membrane assurant ainsi l’uniformité de la force d’actuation sur cette dernière. La fabrication de telles structures est basée sur l’intégration hétérogène 3D.La force électrostatique qui s’applique sur la membrane induit des non-linéarités mécaniques avec notamment un effet bistable, des résonances superharmoniques et des résonances stochastiques.La membrane est mise en mouvement par un potentiel électrique V(t) = Vdc + Vac cos(w.t), où Vdc est l’amplitude du courant continu, Vac l’amplitude du courant alternatif à la fréquence d’excitation w;. Le système se comporte alors comme une capacité de sorte que la force qui s’applique sur la membrane varie de manière quadratique avec la tension appliquée. Selon la tension DC ou AC, le comportement de la structure est différent. L’augmentation de la tension DC induit une augmentation de la tension de polarisation sur le matériau qui par conséquent modifie la fréquence propre de la membrane. Tandis que l’augmentation de la tension AC cause l’augmentation de l’amplitude des oscillations de la membrane pouvant aller jusqu’à atteindre le régime non-linéaire.Dans une première série de mesure, la membrane est excitée à la résonance avec une fréquence w; égale à la fréquence du mode mécanique fondamental wm. A partir de la réponse fréquentielle du système, il est possible d’identifier différents modes mécaniques de la membrane sondé optiquement. Pour une excitation plus importante, il est possible d’observer des effets de bistabilité mécanique. Ces non-linéarités sont dues à l’élongation au niveau des points d’ancrage de la membrane.La méthode la plus commune pour agir sur la membrane est l’excitation proche de la résonance fondamentale. Cependant la technique de la résonance superharmonique peut également être utilisée. Cela consiste à appliquer la fréquence d’excitation w; à une fréquence égale à wm/n où n est un entier. La possibilité d’utiliser cette technique est fortement dépendante des nonlinéarités présentes dans le système. Ainsi, l’existence d’une résonance super harmonique à wm/n résulte de la présence d’une nonlinéarité d’ordre n. Dans une seconde série de mesure, un balayage des résonances superharmoniques en fonction de la fréquence et de la puissance a été réalisé en modulant la tension à la fréquence wm/n et en enregistrant la réponse de la membrane autour de wm. Il a été ainsi possible d’observer des résonances superharmoniques allant de n=2 jusqu’à 8. Il a également été possible d’obtenir l’évolution de la phase le long des résonances et ce pour toutes celles observées.Dans une dernière série de mesure, nous utilisons la nonlinéarité présente pour observer des effets de résonance stochastique. L’idée est d’amplifier un signal de faible amplitude (basse fréquence) en injectant du bruit (haute fréquence) dans le système nonlinéaire. Dans le cas de notre système, nous avons été capables d’observer des résonances stochastiques à la fois en amplitude et en phase. Une étude comparative de ces deux régimes est détaillée. Le fait de pouvoir observer la résonance stochastique en phase peut permettre d’envisager la réalisation de communications codées en phase.


  • Résumé

    Nonlinearities in nanomechanical systems can arise from various sources such as spring and damping mechanisms and resistive, inductive, and capacitive circuit elements. Beyond fundamental interests for testing the dynamical response of discrete nonlinear systems with many degrees of freedom, non-linearities in nanomechanical devices, open new routes for nanomechanical sensing, and signal processing.The nonlinear response of a nanomechanical resonator consisting in a suspended photonic crystal membrane acting as a deformable mirror has been investigated. The low-mass and high reflectivity of suspended membranes pierced by a two-dimensional photonic crystal, makes them good candidates as electro-optomechanical resonator. Actuation of the membrane motion in the MHz frequency range is achieved via interdigitated electrodes placed underneath the membrane. The choice of these electrodes is due to the fact they are able to uniformly actuate these membranes. The processing of such platforms relies on 3D-heterogenous integration process.The applied electrostatic force induces mechanical non-linearities, in particular bistability, superharmonic resonances and stochastic resonance.The membrane is actuated by an electric load V(t) = Vdc + Vac cos(w.t), where Vdc is the DC polarization voltage, Vac the amplitude of the applied AC voltage, and w; the excitation frequency. The system acts as a capacitive system and thus the force applied on the membrane varies as a quadratic function of the applied voltage. Application of either DC or AC voltages can have different implications. Increasing the DC voltage increases the polarizing voltage on the material which in turn causes modulation of the eigenfrequency of the membranes. While an increase in the periodic AC voltage causes the membrane to oscillate more, pushing the system towards non-linear regime.In a first series of experiments, the membrane is actuated resonantly, with an excitation frequency w; equal to the fundamental mechanical modes frequency wm. From the frequency response spectra of the system it was possible to identify different mechanical modes of these membranes via optical measurements. For increased actuation voltages, bistability effects are observed with two different behaviors (spring hardening or softening). The mechanical nonlinearities due to stretching at the clamping point dominate the resonator dynamics.The most commonly used method to act upon the membrane is the primary-resonance excitation, in which the frequency of the excitation is tuned closed to the fundamental natural frequency of the nanostructure. Superharmonic resonance can also be implemented. It consists in applying an excitation frequency w; equal to wm/n, with n being integer. Existence of these superharmonic resonances is highly dependent on the non-linearity of the system. For example existence of n-th order non-linearity results in presence wm/n superharmonic resonance. In a second series of experiments, frequency-power sweep for superharmonic resonance has been performed, by modulating the electric load at a frequency wm/n and recording the response of the membrane at the fundamental frequency wm. High-order superharmonic resonances are observed with n=2 up to 8. Under superharmonic excitation, the control of the phase across the resonance has been shown for every observed resonance.In the next set of experiments, we used the nonlinearity existing in the system to perform stochastic resonance. The idea of stochastic resonance is amplification of a weak signal (with low frequency) by means of noise injected (higher frequency) in a nonlinear system. For our system we were able to achieve stochastic resonance with both amplitude and phase noise. A comparative study between these two schemes was also done in details. The idea of observing stochastic resonance in phase is very interesting as it opens doors to realize phase encoded communications.


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