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Fiche détaillée Thèses
Université de Franche-Comté (03/11/2011), Serge Galliou (Dir.)
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Résonateurs à ondes acoustiques de volume et oscillateurs à température de l'hélium liquide
Maxim Goryachev1

Cette thèse présente des résultats de recherche sur des résonateurs acoustiques à ondes de volume travaillant à températures cryogéniques (de 3K à 15K dans un réfrigérateur à tube pulsé) ainsi que sur les systèmes construits autour de ces composants. Le premier aspect concerne le fonctionnement de différents composants, dont en particulier le résonateur. Le comportement de ce dernier a fait l'objet d'une étude plus systématiquement sur la gamme de fréquence [1−90 MHz]. Des facteurs de qualité de 417 * 106 et des produit Q* f (facteur de qualité Q à la fréquence f) pouvant atteindre 3, 07*1016 Hz ont été mesurées pour les résonateurs à quartz, valeurs exceptionnelles qui sont des records mondiaux pour cette classe de composants. Il est montré que le facteur de qualité Q ne dépend pas de la fréquence f à ces températures, conformément à la théorie de Landau-Rumer. Les problèmes et avantages de travailler à de telles températures sont évalués. Les limitations qui s'y rattachent sont discutées. D'autres composants passifs ou actifs, tels que des transistors, sont aussi d'étudiés. Le choix des composants appropriés est fait sur la base de comparaisons de leur comportement à 4K. Les résultats sont confirmés par une modélisation d'amplificateurs cryogéniques, réalisée avec succès. Le deuxième aspect mis en lumière dans ce travail est la modélisation et la simulation des composants et des systèmes étudiés. Le rapport présente un modèle rigoureux du bruit de phase des composants à onde acoustique de volume prenant en compte les non linéarités et basé sur la méthode de la moyenne. Ce modèle du résonateur, de type MIMO (multiple-input and multiple-output) est utilisé pour en déduire l'impact des différents paramètres d'un oscillateur sur son bruit de phase et expliquer les résultats expérimentaux. Les modèles établis pour les différents autres composants sont aussi utilisés pour simuler et optimiser des amplificateurs et oscillateurs cryogéniques. Le troisième aspect concerne des sources de fréquence basées sur ces résonateurs à ondes de volume cryogéniques : référence passive et oscillateur cryogéniques. Les systèmes réalisés ont permis de mesurer et caractériser le bruit du résonateur dans des conditions spécifiques. Certaines sources de bruit ont ainsi été identifiées. Les systèmes à boucle d'asservissement testés ont une stabilité relative de fréquence de 4 * 10−13 à 100 secondes et restent à mieux que 1 * 10−12 entre 1 et 2000 s. L'oscillateur réalisé a une stabilité de 1.5 * 10−12 à 200 s et meilleure que 1 * 10−11 pour des temps d'intégration plus grands que 80 ms. Les limitations de ces systèmes sont discutées sur la base des données obtenues.
1 :  FEMTO-ST - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
Hélium liquide – résonateurs acoustiques à ondes de volume – résonateurs à quartz – facteur de qualité – sensibilité thermique – référence passive de fréquence – oscillateur – électronique cryogénique – bruit de phase – optimisation de systèmes

Bulk acoustic wave resonators and oscillators at liquid helium temperatures
This thesis presents the results of investigation of bulk-acoustic-wave (BAW) resonators working at cryogenic temperatures (over 3K-15K, in a pulse-tube cryocooler) along with the systems built with these devices. The first aspect of the work is dedicated to the operation of different devices, and particularly the BAW resonators. Their behavior is more systematically studied over a frequency range of 1−90 MHz. Quality factors of 417 * 106 and Q* f-products (Q-factor at frequency f) up to 3.07 * 1016 Hz have been measured for quartz resonators, outstanding values that are word records of this class of devices. It is shown that the intrinsic Q-factor does not depend of the frequency f, at these temperatures, in agreement with the Landau-Rumer theory. Problems and advantages of operating at such temperatures are assessed. Related limitations are discussed. Other passive and active electronic devices, such as transistors, are also under scope of this work. The choice of appropriate components is made based on comparison of their behavior at 4K. The results are confirmed with a successful design of liquid helium amplifiers. The second aspect of the thesis is the modeling and simulation of the studied devices and systems. The report presents a rigorous model of the BAW device phase noise taking into account device nonlinearities based on the averaging approach. This MIMO (multiple-input and multiple-output) model is used to derive impacts of different oscillator parameters to its phase noise and to explain experimental results. Accurate models of other electronics devices working at liquid helium temperatures are also derived. They are used for simulation and optimization of cryogenic, oscillators, etc. The third aspect concerns frequency sources based on these cryogenic BAW resonators: a cryogenic passive closed loop reference system and an oscillator. The implemented systems allowed measuring and characterizing the resonator phase noise at the given conditions. Thus, some noise sources have been identified. The tested feedback stabilization systems achieve fractional frequency stability of 4 * 10−13 at 100 seconds and have stability better than 10−12 between 1 and 2000 seconds. The implemented oscillator exhibits frequency stability of 1.5*10−12 at 200 seconds and better than 10−11 for averaging times greater than 80 ms. Limitations of these systems are discussed based on the obtained data.
Liquid helium – BAW devices – quartz resonators – quality factor – temperature sensitivity – feedback frequency reference system – oscillator – cryogenic electronics – phase noise – system optimization