New oscillator based on periodically poled transducers and guidance materials for the excitation of interface elastic waves
Nouveau type d'oscillateur exploitant des transducteurs à domaines ferroélectriques alternés et des matériaux de guidage pour l'excitation d'ondes ultrasonores d'interface
Résumé
This works consists of studying and fabricating waveguides resonators exploiting composite substrates with periodically poled ferroelectric materials capable of meeting the need of high-frequency sources for the concerned applications (radar detection). The idea consists of using a waveguide based on a Periodically Poled Transducer (PPT) realized on a ferroeclectric single-crystal substrate such as lithium niobate or tantalate inserted between two single-crystal substrates allowing the guidance of waves without losses. Several devices have been successfully fabricated. First of all PPTs on lithium niobate and tantalate have been fabricated with transducers of different periods allowing the excitation of elastic waves of 30 MHz to 1,3 GHz. Then an oscillator stabilized by a waveguide resonator operating at 131 MHz appeared with encouraging characteristics. A phase noise has then been measured at -165 dBc/Hz at 100 kHz from the carrier with an input power of 2 mW and a frequency stability of 109 (oscillator without temperature compensation and with a -50 ppm/K resonator temperature drift). Other resonators on waveguides exploiting thinned PPTs (around thirty microns) allowed the excitation of only one contribution with a thermal sensibility equal to the one of the guiding materials (-30 ppm/K for silicon). Finally a new system based on a periodically poled bridge is presented. It is characterized by its remarkable properties in particular the excitation of waves with phase velocity higher than 10000 m.s1 and presenting electromechanical coupling coefficients of more than 10 % able to answer applications of wide filtering for the mobile telephony.
Ce mémoire présente l'étude et la fabrication de résonateurs sur guide d'ondes exploitant des substrats composites à base de matériau ferroélectrique polarisé périodiquement capables de répondre aux besoins de sources hautes fréquences dont les caractéristiques sont compatibles avec les applications concernées (détection radar). L'idée consiste à utiliser un guide d'ondes fondé sur un Transducteur à domaines ferroélectriques Polarisés Périodiquement (TPP) réalisé sur un substrat ferroélectrique mono-cristallin tel que le niobate ou le tantalate de lithium, placé entre deux substrats mono-cristallins permettant le guidage d'ondes sans pertes. Plusieurs dispositifs ont été fabriqués avec succès. Tout d'abord, des TPPs de différentes périodes (de 200 à 5 μm) ont été réalisés permettant l'excitation d'ondes élastiques de 30 MHz à 1,3 GHz. Ensuite, un oscillateur à 131 MHz stabilisé par un résonateur sur guide d'ondes a vu le jour avec des caractéristiques encourageantes. En effet, un palier de bruit de phase a été mesuré à -165 dBc/Hz à 100 kHz de la porteuse avec une puissance en entrée du résonateur de 2 mW et une stabilité de fréquence court terme de 109 (oscillateur non thermostaté avec une dérive en température du résonateur de -50 ppm/K). D'autres résonateurs sur guide d'ondes exploitant des TPPs amincis à une trentaine de microns ont permis de mettre en évidence l'excitation d'un mode pur spectralement avec une dérive thermique avoisinant celle des matériaux de guidage (soit -30 ppm/K avec du silicium). Enfin, un nouveau système fondé sur des barreaux polarisés périodiquement est présenté. Il se caractérise par ses propriétés remarquables et notamment avec l'excitation d'ondes à vitesse de phase supérieure à 10000 m.s1 et présentant des coefficients de couplage électromécanique de plus de 10%capable de répondre à des applications de filtrage large bande pour la téléphonie mobile.