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Theses

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

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.
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Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Thursday, December 8, 2016 - 12:47:06 PM
Last modification on : Monday, February 3, 2020 - 2:15:53 AM
Document(s) archivé(s) le : Thursday, March 23, 2017 - 7:20:24 AM

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75273_CHOWDHURY_2016_diffusion...
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  • HAL Id : tel-01412397, version 1

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Avishek Chowdhury. Mechanical nonlinear dynamics of a suspended photonic crystal membrane with integrated actuation. Optics [physics.optics]. Université Paris-Saclay, 2016. English. ⟨NNT : 2016SACLS284⟩. ⟨tel-01412397⟩

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