Ces travaux de thèse portent sur la conception et sur la caractérisation expérimentale de résonateurs opto-phononiques. Ces structures permettent le confinement simultané de modes optiques et de vibrations mécaniques de très haute fréquence (plusieurs dizaines jusqu’à plusieurs centaines de GHz). Cette étude a été effectuée sur des systèmes multicouches à l’échelle nanométrique, fabriqués à partir de matériaux semiconducteurs de type III-V. Ces derniers ont été caractérisés par des mesures de spectroscopie Raman de haute résolution. Grâce aux méthodes expérimentales et aux outils numériques développés, nous avons pu explorer de nouvelles stratégies de confinement pour des phonons acoustiques au sein de super-réseaux nanophononiques, à des fréquences de résonance de l’ordre de 350 GHz. En particulier, nous avons étudié les propriétés acoustiques de deux types de résonateurs planaires. Le premier est basé sur la modification adiabatique du diagramme de bande d’un cristal phononique unidimensionnel. Dans le deuxième système, nous utilisons les invariants topologiques caractérisant ces structures périodiques, afin de créer un état d’interface entre deux miroirs de Bragg phononiques. Nous nous sommes ensuite intéressés à l’étude de cavités opto-phononiques permettant le confinement tridimensionnel de la lumière et de vibrations mécaniques de haute fréquence. Nous avons mesuré par spectroscopie Raman les propriétés acoustiques de résonateurs phononiques planaires placés à l’intérieur de cavités optiques tridimensionnelles, de type micropiliers. Enfin, la dernière partie de cette thèse porte sur l’étude théorique des propriétés optomécaniques de micropiliers GaAs/AlAs. Nous avons effectué des simulations numériques par éléments finis, nous permettant d’expliquer les mécanismes de confinement tridimensionnel de modes acoustiques et optiques dans ces systèmes, et de calculer les principaux paramètres optomécaniques. Les résultats de cette étude démontrent que les micropilier GaAs/AlAs possèdent des caractéristiques prometteuses pour de futures expériences en optomécanique, telles que des fréquences de résonance acoustiques très élevées, de hauts facteurs de qualités mécaniques et optiques à température ambiante, ou encore de fortes valeurs pour les facteurs de couplage optomécaniques et pour le produit Q • f / The work carried out in this thesis addresses the conception and the experimental characterization of opto-phononic resonators. These structures enable the confinement of optical modes and mechanical vibrations at very high frequencies (from few tens up to few hundreds of GHz). This study has been carried out on multilayered nanometric systems, fabricated from III-V semiconductor materials. These nanophononic platforms have been characterized through high resolution Raman scattering measurements. The experimental methods and the numerical tools that we have developed in this thesis have allowed us to explore novel confinement strategies for acoustic phonons in acoustic superlattices, with resonance frequencies around 350 GHz. In particular, we have studied the acoustic properties of two nanophononic resonators. The first acoustic cavity proposed in this manuscript enables the confinement of mechanical vibrations by adiabatically changing the acoustic band-diagram of a one-dimensional phononic crystal. In the second system, we take advantage of the topological invariants characterizing one dimensional periodic structures, in order to create an interface state between two phononic distributed Bragg reflectors. We have then focused on the study of opto-phononic cavities allowing the simultaneous confinement of light and of high frequency mechanical vibrations. We have measured, by Raman scattering spectroscopy, the acoustic properties of planar nanophononic structures embedded in three-dimensional micropillar optical resonators. Finally, in the last sections of this manuscript, we investigate the optomechanical properties of GaAs/AlAs micropillar cavities. We have performed numerical simulations through the finite element method that allowed us to explain the three-dimensional confinement mechanisms of optical and mechanical modes in these systems, and to calculate the main optomechanical parameters. This work shows that GaAs/AlAs micropillars present very interesting properties for future optomechanical experiments, such as very high mechanical resonance frequencies, large optical and mechanical quality factors at room temperature, and high values for the vacuum optomechanical coupling factors and for the Q • f products

Ce travail de thèse est une étude expérimentale et théorique de la dynamique de phonons acoustiques dans des multicouches à l'échelle nanométrique par acoustique picoseconde et diffusion Raman. Nous avons étudié les caractéristiques de transmission, génération et détection des phonons acoustiques de très hautes fréquences (jusqu'au THz) de superréseaux et nanocavités réalisées a l'aide de matériaux semiconducteurs ou d'oxydes diélectriques. Nous avons conçu, optimisé et caractérisé des dispositifs phononiques apériodiques, et des nanocavités couplées. Enfin, nous avons utilisé les effets du confinement optique pour exalter les processus de génération et de détection de phonons cohérents et pour modifier les règles de sélection. Par ailleurs, nous avons développé des modèles permettant de calculer les réponses optiques et acoustiques de structures excitées par des impulsions lasers ultrabrèves, et d'évaluer la section efficace Raman dans des multicouches.

Les oscillateurs de référence de haute pureté sont actuellement utilisés dans un grand nombre d’applications allant du contrôle de fréquence aux horloges pour les radars, les GPS et l’espace... Les tendances actuelles dans ce domaine requièrent des architectures miniaturisées avec la génération de signaux directement dans la gamme de fréquences d’intérêt, autour de quelques GHz. Récemment, de nouvelles architectures basées sur les principes de l’optomécanique ont vu le jour dans ce but. De tels oscillateurs optomécanique génèrent non seulement des signaux hyperfréquences directement dans la gamme de fréquences GHz avec éventuellement un faible bruit de phase, mais permettent également un degré élevé d'intégration sur puce. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette démarche. L’oscillateur optomécanique étudié se compose de cavités à cristaux photoniques suspendues couplées à des guides d’ondes silicium sur isolant intégrés dans une architecture tridimensionnelle. Ces cavités abritent des modes optiques fortement confinés autour de 1550nm et des modes mécaniques dans le GHz. De plus, ces structures présentent un recouvrement spatial entre phonon et photon élevé. Il en résulte un couplage optomécanique amélioré. Cette force de couplage optomécanique améliorée est ici sondée optiquement sur des structures à cristaux photoniques de conception optimisée. Ces cavités sont réalisées dans des matériaux semi-conducteurs III-V dont la piézoélectricité nous permet d'intégrer des outils supplémentaires pour sonder et contrôler les vibrations mécaniques via un pilotage capacitif, piézoélectrique ou acoustique. Ce contrôle total des modes mécaniques et de l’interaction optomécanique ouvre la voie à la mise en œuvre de circuits intégrés pour le verrouillage par injection et des boucles de rétroaction permettant de réduire le bruit de phase de l’oscillateur. / High purity reference oscillators are currently used in a wide variety of frequency control and timing applications including radar, GPS, space... Current trends in such fields call for miniaturized architectures with direct signal generation in the frequency range of interest, around few GHz. Recently, novel optomechanically-enhanced architectures have emerged with this purpose. Such optomechanically-driven oscillators not only generate microwave signals directly in the GHz frequency range with possibly low phase noise but also are amenable to a high degree of integration on single chip settings. This PhD work falls within this scope. The optomechanically-driven oscillator under study consists of suspended photonic crystal cavities coupled to integrated silicon-on-insulator waveguides in a three-dimensional architecture. These cavities harbor highly-confined optical modes around 1,55 µm and mechanical modes in the GHz and most importantly, feature a high phonon-photon spatial overlap, all resulting in an enhanced optomechanical coupling. This enhanced optomechanical coupling strength is here probed optically on photonic crystal structures with optimized design. These cavities are hosted in III-V semiconductor materials whose piezoelectricity enable us to integrate additional tools for probing and controlling mechanical vibrations via capacitive, piezoelectric or acoustic driving. This full control over the mechanical modes and optomechanical interaction, paves the way towards the implementation of integrated injection locking circuits of feedback loops for reducing the phase noise of the oscillator.