Nano-oscillateurs micro-onde intégrés exploitant les interactions photon-phonon – CRONOS

Les avantages en termes de large bande passante, faibles pertes de propagation et immunité aux interférences électromagnétiques ont largement contribué à l'essor de la photonique hyperfréquence, où les technologies de communication optiques sont utilisées pour le traitement du signal hyperfréquence analogique. Un élément central de ces architectures est l'oscillateur local; dans ce contexte il s'agit d'une porteuse optique dont la modulation est très pure. L'avantage principal est la simplicité de sa distribution au sein d'un système opto-hyperfréquence. Une telle "horloge" peut être obtenue à partir d'une boucle opto-électronique réalisée à partir d'une porteuse optique modulée par une rétroaction électronique positive. La pureté de ces oscillateurs rivalise avec celle des meilleurs oscillateurs à quartz lorsqu'on les compare dans le domaine hyperfréquence. Ceci est dû au long retard (µs) de la rétroaction, obtenu à partir d'une fibre optique.
Le projet CRONOS introduit une approche technologique radicalement nouvelle permettant la miniaturisation de la ligne à retard. En fait, dans l'approche opto-electronique une fibre optique longue d’environ 1 km est nécessaire pour atteindre un retard suffisant, ce qui rend l'intégration impossible. Ici nous réaliserons une boucle opto-électro-mécanique contenant une ligne à retard acoustique millimétrique, assurant un délai suffisant du fait de la très grande différence entre la vitesse du son et celle de la lumière. Cette approche requiert l'adoption d'une technologie nouvelle où l'interaction entre la lumière et les ondes acoustiques produit une transduction efficace. Au cœur de ce système se trouve un cristal opto-mécanique, un résonateur à la fois optique et acoustique tel que leurs modes sont spatialement superposés. Un élément clé est la structuration sub-micrométrique, assurant la co-localisation sur une longueur de l'ordre de quelques micromètres. Ainsi, la forte interaction entre lumière et vibration se traduit par une très grande sensibilité (la limite quantique de vibration correspond à un déplacement spectral de la résonance optique de qq centaines de kHz).
Le signal correspondant au mouvement du résonateur mécanique, ainsi transposé dans le domaine optique, est détecté, amplifié et ensuite re-injecté sous forme d'onde acoustique se propageant avec le retard souhaité dans un véritable circuit acoustique avant d'atteindre le résonateur. Pour ce faire, CRONOS utilisera une technologie photonique et acoustique où un circuit photonique silicium sera hybridé avec un semiconducteur de la famille III-V, assurant les meilleurs performances opto-mécaniques et permettant l'excitation des ondes acoustiques par effet piézo-électrique. La propagation de l'onde acoustique est maîtrisée par les techniques d'ingénierie de bandes phononiques grâce à la structuration périodique de la matière.
Des premières réalisations montrent que le cristal opto-mécanique seul (sans boucle électromécanique) atteint déjà un bruit de phase relativement faible (correspondant à environ 100 Hz). CRONOS vise une amélioration radicale de cette figure de mérite en s'appuyant principalement sur les performances de la boucle électro-opto-mécanique afin de réduire le bruit intrinsèque d'une part, et sur un système d'asservissement électronique assurant la stabilisation vis à vis des perturbations et du bruit technique.
Ces objectifs ambitieux seront atteints grâce au partenariat entre une institution académique, le C2N (Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies -UMR 9001, Palaiseau) et un laboratoire industriel, TRT (Thales Research & Technology, Palaiseau) ayant un long historique collaboratif. Les partenaires disposent d’installations de nanofabrication à la pointe de la technologie et d'une longue expertise dans la nanofabrication de semi-conducteurs, la nanophotonique, la nanophononique et la photonique hyperfréquence ainsi qu’une expertise reconnue sur les oscillateurs opto-électroniques.