Because of their outstanding characteristics, micro/nano-mechanical (MM) structures have found a plethora of applications in wireless communications and sensing. Many of these MM structures utilize mechanical vibrations (or phonons) at megahertz or gigahertz frequencies for their operation. On the other hand, the periodic atomic structure of crystals is the fundamental phenomenon behind the new era of electronics technology. Such atomic arrangements lead to a periodic electric potential that modifies the propagation of electrons in the crystals. In some crystals, e.g. silicon (Si), this modification leads to an electronic band gap (EBG), which is a range of energies electrons can not propagate with. Discovering EBGs has made a revolution in the electronics and through that, other fields of technology and the society. Inspired by these trends of science and technology, I have designed and developed integrated MM periodic structures that support large phononic band gaps (PnBGs), which are ranges of frequencies that phonons (and elastic waves) are not allowed to propagate. Although PnBGs may be found in natural crystals due to their periodic atomic structures, such PnBGs occur at extra high frequencies (i.e., terahertz range) and cannot be easily engineered with the current state of technology. Contrarily, the structures I have developed in this research are made on planar substrates using lithography and plasma etching, and can be deliberately engineered for the required applications. Although the results and concepts developed in this research can be applied to other substrates, I have chosen silicon (Si) as the substrate of choice for implementing the PnBG structure due to its unique properties. I have also designed and implemented the fundamental building blocks of MM systems (e.g., resonators and waveguides) based on the developed PnBG structures and have shown that low loss and efficient MM devices can be made using the PnBG structures. As an example of the possible applications of these PnBG structures, I have shown that an important source of loss, the support loss, can be suppressed in MM resonators using PnBG structures. I have also made improvements in the characteristics of the developed MM PnBG resonators by developing and employing PnBG waveguides. I have further shown theoretically, that photonic band gaps (PtBGs) can also be simultaneously obtained in the developed PnBGs structures. This can lead to improved photon-phonon interactions due to the effective confinement of optical and mechanical vibrations in such structures. For the design, fabrication, and characterization of the structures, I have developed and utilized complex and efficient simulation tools, including a finite difference time domain (FDTD), a plane wave expansion (PWE), and a finite elements (FE) tool, each of which I have developed either completely from scratch, or by modification of an existing tool to suit my applications. I have also developed and used advanced micro-fabrication recipes, and characterization methods for realizing and characterizing these PnBG structures and devices. It is agued that by using the same ideas these structures can be fabricated at nanometer scales to operate at ultra high frequency ranges. I believe my contributions has opened a broad venue for new MM structures based on PnBG structures with superior characteristics compared to the conventional devices.

Although the study of the interaction of acoustic and elastic waves with periodic surfaces and structures has a rich history dating back to Lord Rayleigh, it has recently been attracting new research efforts due to its value in the study of phononic crystals and in methods for ultrasonic non-destructive evaluation (NDE). The objective of the research described in this thesis is to provide new numerical and experimental tools capable of capturing important features that occur due to the diffraction of ultrasound on periodic solid surfaces. This thesis is divided into four main parts. First, the Rayleigh-Fourier (R-F) method will be used to simulate diffracted fields generated by structures containing multiple periodic surfaces and/or multiple solid layers. The second part of this thesis examines diffraction effects and compares ultrasonic NDE techniques for surfaces with imperfect periodicities. The third portion of this thesis focuses on one unusual phenomenon that has been observed on periodic surfaces, namely the lateral backward displacement of a bounded ultrasonic beam along the surface. This effect is currently understood to occur due to backward propagating surface waves that result from diffraction and mode conversion on the surface. The fourth and final part of this thesis describes the diffraction of bulk ultrasonic waves that can occur on the surfaces of phononic crystals.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-06-07T14:31:23Z No. of bitstreams: 1 alisonarantesgoncalves.pdf: 9032611 bytes, checksum: 93776f55ce3ecc6dc5c2e6997dc1283a (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-07-13T13:23:26Z (GMT) No. of bitstreams: 1 alisonarantesgoncalves.pdf: 9032611 bytes, checksum: 93776f55ce3ecc6dc5c2e6997dc1283a (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-13T13:23:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 alisonarantesgoncalves.pdf: 9032611 bytes, checksum: 93776f55ce3ecc6dc5c2e6997dc1283a (MD5) Previous issue date: 2016-02-23 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta tese estudamos a estrutura de bandas de fônons e a condutividade térmica de cristais fonônicos em temperaturas sub-Kelvin. O espectro fonônico de baixas frequências (até dezenas de GHz) foi obtido da solução da equação de onda generalizada através do método de Expansão em Ondas Planas. Os resultados para estruturas com periodicidade bidimensional da ordem de mícrons apresentam band gaps e faixas estreitas de transmissão. Este comportamento é interessante para o controle de vibrações mecânicas como em um filtro de frequências operando na frequência de GHz. A densidade de estados foi calculada com o objetivo de estudar problemas de transporte envolvendo materiais fonônicos. Além disso, calculamos a condutividade térmica cumulativa no regime de temperaturas de sub-Kelvin em micro cristais fonônicos visando possíveis aplicações em materiais termoelétricos. Esses cálculos se baseiam na teoria de transporte de Boltzmann a baixas temperaturas a fim de enfatizar o papel dos fônons de baixa frequência e negligenciar o espalhamento fônon-fônon. Em acordo com resultados recentes na literatura, mostramos que a condutividade térmica cumulativa das estruturas fonônicas cai acentuadamente em relação a suas matrizes (bulk). Dependendo da estrutura esta redução pode ser atribuída à velocidade de grupo dos fônons, à densidade de estados ou à presença de band gaps completos. / In this thesis we have studied the phononic band structure and the thermal conductivity of phononic crystals at sub-Kelvin temperatures. The low-frequency phonon spectra (up to tens of GHz) were obtained by solving the generalized wave equation with the Plane Wave Expansion method. The results for structures with two dimensional periodicity of the order of micrometers show the presence of GHz band gaps and narrow pass band. Such behavior is suitable for mechanical vibrations management like a GHz transversal phononic band pass filter. The phonon density of states was calculated aiming the study in transport problems involving phononic materials. Moreover, we have calculated the cumulative thermal conductivity at sub-Kelvin temperature regime of micro-phononic crystals aiming possible applications in thermoelectrics materials. The calculations were based in Boltzmann transport theory at low temperatures in order to highlight the role of low-frequency thermal phonons and to neglect phonon-phonon scattering. In accordance with recent results in the literature, our findings show that the cumulative thermal conductivity of the phononic crystals drops dramatically when compared with their bulk counterpart. Depending on the structural composition this reduction may be attributed to the phonon group velocity, the density of states or the presence of complete band gaps.

El control de las propiedades acústicas de los cristales de sonido (CS) necesita del estudio de la distribución de dispersores en la propia estructura y de las propiedades acústicas intrínsecas de dichos dispersores. En este trabajo se presenta un estudio exhaustivo de diferentes distribuciones, así como el estudio de la mejora de las propiedades acústicas de CS constituidos por dispersores con propiedades absorbentes y/o resonantes. Estos dos procedimientos, tanto independientemente como conjuntamente, introducen posibilidades reales para el control de la propagación de ondas acústicas a través de los CS. Desde el punto de vista teórico, la propagación de ondas a través de estructuras periódicas y quasiperiódicas se ha analizado mediante los métodos de la dispersión múltiple, de la expansión en ondas planas y de los elementos finitos. En este trabajo se presenta una novedosa extensión del método de la expansión en ondas planas que permite obtener las relaciones complejas de dispersión para los CS. Esta técnica complementa la información obtenida por los métodos clásicos y permite conocer el comportamiento evanescente de los modos en el interior de las bandas de propagación prohibida del CS, así como de los modos localizados alrededor de posibles defectos puntuales en CS. La necesidad de medidas precisas de las propiedades acústicas de los CS ha provocado el desarrollo de un novedoso sistema tridimensional que sincroniza el movimiento del receptor y la adquisición de señales temporales. Los resultados experimentales obtenidos en este trabajo muestran una gran similitud con los resultados teóricos. La actuación conjunta de distribuciones de dispersores optimizadas y de las propiedades intrínsecas de éstos, se aplica para la generación de dispositivos que presentan un rango amplio de frecuencias atenuadas. Se presenta una alternativa a las barreras acústicas tradicionales basada en CS donde se puede controlar el paso de ondas a su través. Los resultados ayudan a entender correctamente el funcionamiento de los CS para la localización de sonido, y para el guiado y filtrado de ondas acústicas. / Romero García, V. (2010). On the control of propagating acoustic waves in sonic crystals: analytical, numerical and optimization techniques [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8982

En esta tesis se realiza un estudio teórico de la interacción luz-sonido en estructuras foxonicas, con las cuales es posible el control de la luz y el sonido a la misma vez. Esta interacción en dichas estructuras se estudia, tanto desde un punto de vista macroscópico (diseño de estructuras para el confinamiento y guiado de ondas electromagnéticas y elásticas) como microscópico (estudio de la interacción fotón-fonón en microcavidades y desarrollo teórico de modelos cuánticos para la comprensión de dicha interacción). / Escalante Fernández, JM. (2013). Theoretical study of light and sound interaction in phoxonic crystal structures [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/33754

Ce travail porte sur l'étude théorique et numérique des cristaux phononiques non linéaires. Les non linéarités étudiées sont celles dues aux constantes élastiques d'ordre deux (quadratiques) et trois (cubiques) des matériaux constituant les cristaux. Les effets non linéaires sont étudiés grâce à des méthodes d'éléments finis en simulant la propagation d'une onde élastique à travers les cristaux.Un premier projet de recherche a porté sur l'étude d'une structure osseuse, et plus spécifiquement sur la dispersion des ondes élastiques dans une structure constituée d'une alternance de couches de collagène et d'hydroxy apatite. Les simulations montrent qu'il existe un lien étroit entre l'hydratation des os et leur capacité à dissiper l'énergie.La seconde étude réalisée concerne un résonateur élastique. Une structure constituée d'inclusions d'acier dans de la silice présente un comportement de commutateur lorsque les non linéarités cubiques de l'acier sont prises en compte. Cet effet fortement non linéaire apparaît lorsque l'amplitude de l'onde incidente dépasse un certain seuil. Un modèle analytique complet est fourni.La dernière étude réalisée montre la conception de matériaux composites possédant de fortes non linéarités cubiques mais de faibles non linéarités quadratiques. La dérivation des lois de mélange des paramètres élastiques d'un matériau non linéaire dans un matériau linéaire est effectuée à l'ordre trois. Les équations montrent une forte amplification des paramètres non linéaires du matériau résultant pour certaines concentrations. Les simulations permettent de conclure que le résonateur mentionné ci-dessus peut effectivement être réalisé. / This work is dedicated to the theoretical and numerical study of nonlinear phononic crystals. The studied nonlinearities are those due to the second (quadratic) and third (cubic) order elastic constants of the materials that constitute the crystals. Nonlinear effects are studied by the means of finite element methods, used to simulate the propagation of an elastic wave through the crystals.A first research project concerns the study of a bone structure, namely the dispersion of elastic waves in a structure composed of collagen and hydroxy apatite alternate constituent layers. Simulations showed that it exists a strong link between bones hydration and their ability to dissipate the energy.The second study relates to an elastic resonator. A structure composed of steel inclusions in a silica matrix shows a switch behavior when the cubic nonlinearities of steel are taken into account. This strong nonlinear effect appears when the amplitude of the incident wave reaches a threshold. A full analytical model is provided.The last study demonstrates the design of composite materials with both strong cubic nonlinearities and weak quadratic nonlinearities. The derivation of the mixing laws of the elastic parameters of a nonlinear material inside a linear one is performed up to order three. Equations show a strong amplification of the nonlinear parameters of the material for some concentrations. Numerical simulations allow to conclude that the above mentioned resonator can be produced.

Ce travail porte sur l’étude de matériaux micro/nano structurés permettant l’ingénierie des structures de bande dans le domaine des ondes élastiques. Nous nous sommes intéressés en particulier à l’intégration de ces matériaux dans les dispositifs électro-acoustiques et l’étude de l’interaction avec les ondes acoustiques de surface.La démarche consiste à mener des simulations par la méthode des éléments finis, pour calculer les structures de bande et les spectres de transmission. Nous avons étudié l’effet des paramètres géométriques et élastiques des micro-plots sur les branches acoustiques représentant les modes de surface. Nous avons ensuite discuté l’effet de la symétrie de l’arrangement sur la polarisation des modes de surface. Nous avons également étudié l’effet de la symétrie sur la sensibilité des modes de surface à une variation de température.Sur le plan expérimental, Nous avons élaboré des transducteurs inter-digités sur un substrat piézoélectrique de LiNbO3. Nous avons intégré divers cristaux phononiques composés de micro-plots de Ni, obtenues par électrodéposition. Les spectres de transmission ont été mesurés à l’aide d’un analyseur de réseau et comparés aux résultats theoriques.En dehors des cristaux phononiques basés sur des plots du nickel, d’autres structures ont également été présentées dans ce travail, incluant des matériaux bidimensionnels à base de nanoparticules magnétiques auto-assemblées et des nanofils du nickel électrodéposés à travers des membranes nano-poreuses d’alumine. / This work concerns the study of micro/nano structured materials for the engineering of band structures in the field of elastic waves. We were interested in particular to the integration of these materials in electro-acoustic devices and the study of the interaction with the surface acoustic waves.The approach is to carry out the simulation using the finite element method to calculate the band structures and the transmission spectra. We studied the effect of geometrical and elastic parameters of micro-pillars on acoustic branches representing surface modes. Then we discussed the effect of the symmetry of the arrangement on the polarization of the surface modes. We also investigated the effect of the symmetry on the sensitivity of surface modes with the variation of temperature.Experimentally, we have developed interdigital transducers on a piezoelectric substrate of LiNbO3. We have fabricated various phononic crystals composed of nickel micro-pillars, obtained by electrodeposition. The transmission spectra were measured by a network analyzer and compared with the theoretical results.Besides the phononic crystals based on nickel pillars, some other periodic micro/nano structures were also involved in this work, such as two dimensional materials based on self-assembled magnetic nanoparticles and nickel nanowires electroplated through nano-porous alumina membranes.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή διερευνώνται αριθμητικά δομές οι οποίες μπορούν να λειτουργήσουν ως φωνονικά ή φωτονικά υλικά. Βασικό χαρακτηριστικό των φωτονικών και των φωνονικών υλικών είναι η ύπαρξη χασμάτων συχνοτήτων στη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών και των ελαστικών κυμάτων αντίστοιχα διαμέσου των δομών αυτών. Αρχικά διερευνήθηκαν αριθμητικά δύο δομές οι οποίες έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί ως φωτονικά υλικά και για τις οι οποίες εξετάστηκε κατά πόσο είναι εφικτή λειτουργία τους ως φωνονικά υλικά. Η πρώτη δομή είναι η πολύ γνωστή δομή κατά στρώσεις και η δεύτερη ένας ηχητικός κυματοδηγός «λωρίδα» (slot waveguide) επάνω στον οποίο δομείται ένας φωνονικός κρύσταλλος. Για τους αριθμητικούς υπολογισμούς χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου και υπολογίστηκαν το Φάσμα Μετάδοσης καθώς και το διάγραμμα Διασποράς. Στην μελέτη αυτή περιελήφθησαν αρκετά διαφορετικά υλικά όπως το πυρίτιο, η εποξειδική ρητίνη και το βολφράμιο. Διερευνήθηκε επίσης η επίδραση όλων των γεωμετρικών παραμέτρων των δομών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι δομές αυτές φαίνεται να έχουν πολύ ελπιδοφόρα χαρακτηριστικά ως φωνονικοί κρύσταλλοι. Υπό ορισμένες προϋποθέσεις μάλιστα μπορεί να προκύψει πλήρες τρισδιάστατο χάσμα. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η συγκεκριμένες δομές είναι ήδη γνωστές για τη χρήση τους ως φωτονικοί κρύσταλλοι, η πεποίθηση για τη χρήση τους ταυτόχρονα ως φωτονικοί και φωνονικοί κρύσταλλοι καθίσταται βάσιμη. Στην συνέχεια, χρησιμοποιώντας ξανά τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου, μελετήθηκαν ενδεχόμενες εφαρμογές που θα μπορούσαν οι δομές αυτές να έχουν. Πιο συγκεκριμένα διερευνήθηκε αρχικά η ενδεχόμενη χρήση των φωνονικών κρυστάλλων ως αισθητήρες. Οι Ευαισθησίες αυτών των δομών υπολογίστηκαν από τις αλλαγές στα όρια των αντίστοιχων φωνονικών χασμάτων όταν ένα λεπτό φιλμ νερού (για την περίπτωση του αισθητήρα υγρασίας) προστεθεί στη δομή ή όταν οι δομές εμβαπτιστούν σε κάποιο υγρό (αισθητήρες υγρών). Μελετήθηκε επίσης για πρώτη φορά συγκεκριμένη ελαστοδυναμική συμπεριφορά της τρισδιάστατης δομής κατά στρώσεις. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν παρουσιάζουν μια υψηλή τιμή στον λόγο της διαμήκους προς την εγκάρσια ταχύτητα του ήχου και μια ιδανική συμπεριφορά pentamode σε ένα εύρος συχνοτήτων. Τα αποτελέσματα δείχνουν σαφώς ότι η δομή κατά στρώσεις μπορεί να αποτελέσει και ένα πολύ σημαντικό ελαστοδυναμικό μεταϋλικό. Στην επόμενη ενότητα της Διδακτορικής διατριβής χρησιμοποιώντας την θεωρία συναρτησιακών πυκνότητας μελετήθηκε η φωνονική πυκνότητα καταστάσεων για υλικά τύπου γραφενίου όπως το silicene (σιλικένιο) και το germanene (γερμανένιο). Εξετάστηκαν οι περιπτώσεις στις οποίες άτομα πυριτίου ή γερμανίου στις δομές τύπου γραφενίου αντικαταστάθηκαν από άλλα άτομα της Ομάδας IV του Περιοδικού Πίνακα και διερευνήθηκε κατά πόσο οι προκύπτουσες δομές μπορούν να λειτουργήσουν ως φωνονικοί κρύσταλλοι με την εμφάνιση φωνονικών χασμάτων στην φωνονική πυκνότητα καταστάσεών τους. Εξετάστηκαν επίσης νανοσωλήνες άνθρακα και κυρίως οι ομοιότητές τους με τα υλικά τύπου γραφενίου. Βρέθηκε πως, για τις περιπτώσεις όπου η διάμετρος των νανοσωλήνων ξεπερνά το 1nm, παρουσιάζονται αρκετές ομοιότητες με τα υλικά τύπου γραφενίου. Στην τελευταία ενότητα της διατριβής διερευνώνται δομές στις οποίες μπορεί να παρατηρηθεί εντοπισμός του φωτός σε περιοχές κλίμακας νανομέτρων. Ένα σύστημα αποτελούμενο από δύο δίσκους πυριτίου με διάκενο να τους χωρίζει μερικά δέκατα του νανομέτρου μελετήθηκε πρώτο. Ο κανονικοποιημένος, αδιάστατος ενεργός όγκος καταστάσεων, V_eff, υπολογίστηκε για τους δύο χαμηλότερους συντονισμούς. Ο ενεργός όγκος καταστάσεων μειώνεται σημαντικά καθώς το χάσμα μεταξύ των δίσκων μεγαλώνει. Μελετάται επίσης μια δομή αποτελούμενη από έναν κυκλικό κυματοδηγό σχισμή ο οποίος σχηματίζεται μέσα σε έναν κυκλικό συντονιστή πυριτίου. Όπως προκύπτει από τα αριθμητικά αποτελέσματα η προτεινόμενη δομή μπορεί να εμφανίσει συντονισμούς με υψηλές τιμές του παράγοντα Q, αυξάνοντας έτσι την πεποίθηση πως η προτεινόμενη δομή μπορεί να αποτελέσει βάση για εφαρμογές σε οπτικές τηλεπικοινωνίες. / This thesis explores numerically structures that can act as phononic or photonic materials. A key feature of photonic and phononic materials is the existence of frequency gaps in propagation of electromagnetic waves and elastic waves respectively. Initially the functionality of two structures as phononic materials is numerically examined. Those structures have already been used as photonic materials. The first structure is the well-known layer-by-layer structure and the second is an acoustic strip waveguide onto which is considered one phononic crystal. For numerical calculations the Finite Difference Time Domain method was used. The transmission spectra and the band structure were calculated. Several different materials such as silicon, epoxy and tungsten were included in this study. It was also investigated the effect of all the geometric parameters of the structures. The results showed that these structures appear to have very promising features as phononic crystals. Under certain conditions it may even exists a full three-dimensional phononic band gap. Considering that those structures are already known for their use as photonic crystals, the belief for their use as both photonic crystals and phononic crystals becomes valid. Then, again using the Finite Difference Time Domain method, potential applications that these structures could have were also examined. Initially it was investigated the potential use of phononic crystals as sensors. The sensitivities of these structures were calculated from the changes in the boundaries of the respective phononic band gaps when a thin film of water (in the case of the humidity sensor) was added to the structure or when those structures immersed in a liquid (liquid sensors). Also studied for the first time the three-dimensional layer-by-layer structure for specific elastodynamic behavior. The results show a high value of the ratio of the longitudinal to the transverse speed of sound and an ideal pentamode behavior for a specific frequency range. The results clearly show that the layer-by-layer structure could be a very important elastodynamic metamaterial. In the next section of this thesis, the phonon density of states of graphene-like materials such as silicene and germanene is examined using density functional theory. Cases were silicon or germanium atoms on graphene-like structures are replaced by other group IV atoms and how these new structures could perform as nanoscale phononic crystals, creating phononic band gaps in their phonon density of states, are numerically investigated. Nanotubes were also examined and their similarities, especially for cases with diameters above 1nm, with the graphene-like materials were found. In the final section of this thesis structures which could confine light in nanometer areas were numerically examined. A system consisting of two silicon disks with in plane separation of a few tens of nanometers has been studied first. The normalized unitless effective mode volume, Veff, has been calculated for the two lowest whispering gallery modes resonances. The effective mode volume is reduced significantly as the gap between the disks decreases. It is also numerically examined a structure consisting of a circular slot waveguide which is formed into a silicon disk resonator. It is shown that the proposed structure could have high Q resonances thus raising the belief that it is a very promising candidate for optical interconnects applications.

[ES] La optomecánica de cavidades se ocupa de la interacción entre la luz y la materia a través del efecto de presión de radiación cuando las ondas ópticas y mecánicas implicadas están confinadas en una cavidad. En estos sistemas optomecánicos, la interacción entre fotones y fonones da lugar a multitud de fenómenos en función de las condiciones en las que se excita el sistema. En particular, se pueden obtener dos regímenes distintos en los que se puede, o bien absorber fonones (denominado como enfriamiento de la cavidad), o bien éstos se pueden amplificar (régimen conocido como calentamiento de la cavidad). El primer régimen puede usarse, por ejemplo, para reducir la ocupación térmica del sistema y se usa comúnmente para aplicaciones relativas al procesado de información cuántica. Sin embargo, la amplificación de fonones, que puede ser desarrollada a temperatura ambiente, ha permitido conseguir alcanzar incluso las condiciones necesarias para obtener láseres de fonones, lo cual permite poder usar esta característica como elemento de referencia en aplicaciones relativas al procesado de señales de radiofrecuencia (RF). En esta tesis se aborda el confinamiento simultáneo y la interacción de fotones y fonones en estructuras periódicas y en guías no suspendidas desarrolladas en sistemas CMOS compatibles basados en tecnología de silicio. A través del estudio experimental de estas estructuras periódicas, hemos demostrado que las cavidades optomecánicas pueden actuar como elementos clave en el dominio de la fotónica de microondas, donde todo el procesado de la información puede ser realizado en el dominio óptico a través de la manipulación de fonones en este sistema. En particular, mostramos que un solo oscilador optomecánico puede actuar tanto como un oscilador local y un mezclador de RF, y éste puede operar como un conversor de frecuencias de señales de cadenas de datos reales. Para mejorar esta funcionalidad, también se demuestra que es posible obtener tanto peines de frecuencias ópticos así como múltiples modos mecánicos confinados, aumentando así su rendimiento. Por otro lado, con el objetivo de poder solventar las posibles limitaciones de estos sistemas, en esta tesis también se exploran diferentes configuraciones que permiten la interacción acusto-óptica simultánea en la misma estructura. Específicamente, se analiza la interacción optomecánica en discos de alto índice que soportan estados cuasi-ligados en el continuo así como una propuesta de guías no suspendidas que soportan altas ganancias de Brillouin. Este último estudio debería permitir el desarrollo de sistemas optomecánicos no suspendidos donde el problema de la pérdida de fonones hacia el sustrato se resuelva, hecho que permitiría enormemente simplificar la fabricación de estos sistemas optomecánicos en chips de silicio así como su uso en múltiples aplicaciones. / [CA] L'optomecànica de cavitats s'ocupa de la interacció entre la llum i la matèria a través de l'efecte de pressió de radiació quan les ones òptiques i mecàniques implicades estan confinades en una cavitat. En aquests sistemes optomecànics, la interacció entre fotons i fonons dona lloc a multitud de fenòmens en funció de les condicions de les condicions en les quals s'excita el sistema. En particular, es poden obtindre dos règims diferents en els quals es pot, o bé, absorbir fonons (denominat com a refredament de la cavitat), o bé, es poden amplificar (règim conegut com a calfament de la cavitat). El primer règim pot usar-se, per exemple, per a reduir l'ocupació tèrmica del sistema i s'usa comunament per a aplicacions relatives al processament d'informació quàntica. No obstant això, l'amplificació de fonons, que pot ser desenvolupada a temperatura ambient, ha permés aconseguir fins i tot les condicions necessàries per a obtindre làsers de fonons, la qual cosa permet poder usar aquesta característica com a element de referència en aplicacions relatives al processament de senyals de radiofreqüència (RF). En aquesta tesi s'aborda el confinament simultani i la interacció de fotons i fonons en estructures periòdiques i en guies no suspeses en sistemes CMOS compatibles basats en tecnologia de silici. A través de l'estudi experimental d'aquestes estructures periòdiques, hem demostrat que les cavitats optomecàniques poden actuar com a elements clau en el domini de la fotònica de microones, on tot el processament de la informació pot ser realitzat en el domini òptic a través de la manipulació de fonons en aquest sistema. En particular, vam mostrar que només un oscil·lador optomecànic pot actuar tant com un oscil·lador local i un mesclador de RF, i aquest pot operar com un convertidor de freqüències de senyals de cadenes de dades reals. Per a millorar aquesta funcionalitat, també es demostra que és possible obtindre tant tren de freqüències òptics així com múltiples modes mecànics confinats, augmentant així el seu rendiment. D'altra banda, amb l'objectiu de poder solucionar les possibles limitacions d'aquests sistemes, en aquesta tesi també s'exploren diferents configuracions que permeten la interacció acusto-òptica simultània en la mateixa estructura. Específicament, s'analitza la interacció optomecànica en discos d'alt índex que suporten estats quasi-lligats en el continu així com una proposta de guies no suspeses que suporten altes ganancies de Brillouin. Aquest últim estudi hauria de permetre el desenvolupament de sistemes optomecànics no suspesos on el problema de la pèrdua de fonons cap al substrat es resolga, fet que permetria enormement simplificar la fabricació d'aquests sistema optomecànics en xips de silici així com el seu ús en diverses aplicacions. / [EN] Cavity optomechanics deals with the interaction of light and matter through the radiation pressure effect, when the involved optical and mechanical waves are confined in a cavity. In optomechanical systems, photon and phonon interaction give rise to a plethora of phenomena as a function of the driving conditions of the system. Relative to that, two distinctive regimes can be obtained which enable either the absorption of phonons (cavity cooling) or their amplification (cavity heating). The first regime can be used to reduce the thermal occupancy of the system and it is commonly used for quantum processing information applications. However, the amplification of phonons, which can be performed at room temperature, has enabled to even reach phonon lasing conditions, a feature that could be used as a reference element for RF processing applications. In this thesis, we address the simultaneous confinement and interaction of photons and phonons in periodic structures and unreleased waveguides on CMOS-compatible silicon-based technology. Throughout the experimental study of those periodic structures, we demonstrate that optomechanical cavities can perform as key blocks in the microwave photonics domain where all the information processing can be performed in the optical domain through phonon manipulation. In particular, we show that a single optomechanical oscillator can perform as both a local oscillator and an RF mixer, and it can operate as a frequency-converted of real data stream signals. To improve its performance, it is also demonstrated that optical frequency combs can be obtained by means of this system and multiple mechanical mode confinement can also be achieved, thus improving the functionality of the system. On the other hand, in order to fulfill the possible limitations of those systems, we explore different configurations enabling the simultaneous acousto-optic interaction together into the same structure. Especially, optomechanical interaction in high-index disks supporting quasi-bound states in the continuum is addressed, as well as a proposal of unreleased waveguides supporting strong Brillouin gains is also reported. The last one should lead to unreleased optomechanical interacting systems where the issue of phonon leakage into the substrate is solved, which could enormously simplify the fabrication of optomechanical systems in silicon chips as well as their practical use in multiple applications. / This work has been carried out under the framework of the H2020 FET-Open EU project PHENOMEN. This Thesis was also supported by the Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID-01-16) de la Universitat Politècnica de València / Mercadé Morales, L. (2021). Phonons Manipulation in Silicon Chips Using Cavity Optomechanics [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171461

Tesis por compendio / [EN] Phononic crystals are artificial materials formed by a periodic arrangement of inclusions embedded into a host medium, where each of them can be solid or fluid. By controlling the geometry and the impedance contrast of its constituent materials, one can control the dispersive properties of waves, giving rise to a huge variety of interesting and fundamental phenomena in the context of wave propagation. When a propagating wave encounters a medium with different physical properties it can be transmitted and reflected in lossless media, but also absorbed if dissipation is taken into account. These fundamental phenomena have been classically explained in the context of homogeneous media, but it has been a subject of increasing interest in the context of periodic structures in recent years as well. This thesis is devoted to the study of different effects found in sonic and phononic crystals associated with transmission, reflection and absorption of waves, as well as the development of a technique for the characterization of its dispersive properties, described by the band structure. We start discussing the control of wave propagation in transmission in conservative systems. Specifically, our interest is to show how sonic crystals can modify the spatial dispersion of propagating waves leading to control the diffractive broadening of sound beams. Making use of the spatial dispersion curves extracted from the analysis of the band structure, we first predict zero and negative diffraction of waves at frequencies close to the band-edge, resulting in collimation and focusing of sound beams in and behind a 3D sonic crystal, and later demonstrate it through experimental measurements. The focusing efficiency of a 3D sonic crystal is limited due to the strong scattering inside the crystal, characteristic of the diffraction regime. To overcome this limitation we consider axisymmetric structures working in the long wavelength regime, as a gradient index lens. In this regime, the scattering is strongly reduced and, in an axisymmetric configuration, the symmetry matching with acoustic sources radiating sound beams increase its efficiency dramatically. Moreover, the homogenization theory can be used to model the structure as an effective medium with effective physical properties, allowing the study of the wave front profile in terms of refraction. We will show the model, design and characterization of an efficient focusing device based on these concepts. Consider now a periodic structure in which one of the parameters of the lattice, such as the lattice constant or the filling fraction, gradually changes along the propagation direction. Chirped crystals represent this concept and are used here to demonstrate a novel mechanism of sound wave enhancement based on a phenomenon known as "soft" reflection. The enhancement is related to a progressive slowing down of the wave as it propagates along the material, which is associated with the group velocity of the local dispersion relation at the planes of the crystal. A model based on the coupled mode theory is proposed to predict and interpret this effect. Two different phenomena are observed here when dealing with dissipation in periodic structures. On one hand, when considering the propagation of in-plane sound waves in a periodic array of absorbing layers, an anomalous decrease in the absorption, combined with a simultaneous increase of reflection and transmission at Bragg frequencies is observed, in contrast to the usual decrease of transmission, characteristic in conservative periodic systems at these frequencies. For a similar layered media, backed now by a rigid reflector, out-of-plane waves impinging the structure from a homogeneous medium will increase dramatically the interaction strength. In other words, the time delay of sound waves inside the periodic system will be considerably increased resulting in an enhanced absorption, for a broadband spectral range. / [ES] Los cristales fonónicos son materiales artificiales formados por una disposición periódica de inclusiones en un medio, pudiendo ambos ser de carácter sólido o fluido. Controlando la geometría y el contraste de impedancias entre los materiales constituyentes se pueden controlar las propiedades dispersivas de las ondas. Cuando una onda propagante se encuentra un medio con diferentes propiedades físicas puede ser transmitida y reflejada, en medios sin pérdidas, pero también absorbida, si la disipación es tenida en cuenta. La presente tesis está dedicada al estudio de diferentes efectos presentes en cristales sónicos y fonónicos relacionados con la transmisión, reflexión y absorción de ondas, así como el desarrollo de una técnica para la caracterización de sus propiedades dispersivas, descritas por la estructura de bandas. En primer lugar, se estudia el control de la propagación de ondas en transmisión en sistemas conservativos. Específicamente, nuestro interés se centra en mostrar cómo los cristales sónicos son capaces de modificar la dispersión espacial de las ondas propagantes, dando lugar al control del ensanchamiento de haces de sonido. Haciendo uso de las curvas de dispersión espacial extraídas del análisis de la estructura de bandas, se predice primero la difracción nula y negativa de ondas a frecuencias cercanas al borde de la banda, resultando en la colimación y focalización de haces acústicos en el interior y detrás de un cristal sónico 3D, y posteriormente se demuestra mediante medidas experimentales. La eficiencia de focalización de un cristal sónico 3D está limitada debido a las múltiples reflexiones existentes en el interior del cristal. Para superar esta limitación se consideran estructuras axisimétricas trabajando en el régimen de longitud de onda larga, como lentes de gradiente de índice. En este régimen, las reflexiones internas se reducen fuertemente y, en configuración axisimétrica, la adaptación de simetría con fuentes acústicas radiando haces de sonido incrementa la eficiencia drásticamente. Además, la teoría de homogenización puede ser empleada para modelar la estructura como un medio efectivo con propiedades físicas efectivas, permitiendo el estudio del frente de ondas en términos refractivos. Se mostrará el modelado, diseño y caracterización de un dispositivo de focalización eficiente basado en los conceptos anteriores. Considérese ahora una estructura periódica en la que uno de los parámetros de la red, sea el paso de red o el factor de llenado, cambia gradualmente a lo largo de la dirección de propagación. Los cristales chirp representan este concepto y son empleados aquí para demostrar un mecanismo novedoso de incremento de la intensidad de la onda sonora basado en un fenómeno conocido como reflexión "suave". Este incremento está relacionado con una ralentización progresiva de la onda conforme se propaga a través del material, asociado con la velocidad de grupo de la relación de dispersión local en los planos del cristal. Un modelo basado en la teoría de modos acoplados es propuesto para predecir e interpretar este efecto. Se observan dos fenómenos diferentes al considerar pérdidas en estructuras periódicas. Por un lado, si se considera la propagación de ondas sonoras en un array periódico de capas absorbentes, cuyo frente de ondas es paralelo a los planos del cristal, se produce una reducción anómala en la absorción combinada con un incremento simultáneo de la reflexión y transmisión a las frecuencias de Bragg, de forma contraria a la habitual reducción de la transmisión, característica de sistemas periódicos conservativos a estas frecuencias. En el caso de la misma estructura laminada en la que se cubre uno de sus lados mediante un reflector rígido, la incidencia de ondas sonoras desde un medio homogéneo, cuyo frente de ondas es perpendicular a los planos del cristal, produce un gran incremento de la fuerza de / [CA] Els cristalls fonònics són materials artificials formats per una disposició d'inclusions en un medi, ambdós poden ser sòlids o fluids. Controlant la geometría i el contrast d'impedàncies dels seus materials constituents, és poden controlar les propietats dispersives de les ondes, permetent una gran varietatde fenòmens fonamentals interessants en el context de la propagació d'ones. Quan una ona propagant troba un medi amb pèrdues amb propietats físiques diferents es pot transmetre i reflectir, però també absorbida si la dissipació es té en compte. Aquests fenòmens fonamentals s'han explicat clàssicament en el context de medis homogenis, però també ha sigut un tema de creixent interés en el context d'estructures periòdiques en els últims anys. Aquesta tesi doctoral tracta de l'estudi de diferents efectes en cristalls fonònics i sònics lligats a la transmissió, reflexió i absorció d'ones, així com del desenvolupament d'una tècnica de caracterització de les propietats dispersives, descrites mitjançant la estructura de bandes. En primer lloc, s'estudia el control de la propagació ondulatori en transmissió en sistemes conservatius. Més específicament, el nostre interés és mostrar com els cristalls sonors poden modificar la dispersió espacial d'ones propagants donant lloc al control de l'amplària per difracció dels feixos sonors. Mitjançant les corbes dispersió espacial obtingudes de l'anàlisi de l'estructura de bandes, es prediu, en primer lloc, la difracció d'ones zero i negativa a freqüències próximes al final de banda. El resultat és la collimació i focalització de feixos sonors dins i darrere de cristalls de so. Després es mostra amb mesures experimentals. L'eficiència de focalització d'un cristall de so 3D està limitada per la gran dispersió d'ones dins del cristall, que és característic del règim difractiu. Per a superar aquesta limitació, estructures axisimètriques que treballen en el règim de llargues longituds d'ona, i es comporten com a lents de gradient d'índex. En aquest règim, la dispersió es redueix enormement i, en una configuració axisimètrica, a causa de l'acoblament de la simetría amb les fonts acústiques que radien feixos sonors, l'eficiència de radiació s'incrementa significativament. D'altra banda, la teoria d'homogeneïtzació es pot utilitzar per a modelar, dissenyar i caracteritzar un dispositiu eficient de focalització basat en aquests conceptes. Considerem ara una estructura periòdica en la qual un dels seus paràmetres de xarxa, com ara la constant de xarxa o el factor d'ompliment canvia gradualment al llarg de la direcció de propagació. Els cristalls chirped representen aquest concepte i s'utilitzen ací per a demostrar un mecanisme nou d'intensificació d'ones sonores basat en el fenòmen conegut com a reflexió "suau". La intensificació està relacionada amb la alentiment progressiva de l'ona conforme propaga al llarg del material, que està associada amb la velocitat de grup de la relació de dispersió local en els diferents plànols del cristall. Es proposa un model basat en la teoria de modes acoblats per a predir i interpretar este efecte. Dos fenòmens diferents cal destacar quan es tracta d'estructures periòdiques amb dissipació. Per un costat, al considerar la propagació d'ones sonores en el plànol en un array periòdic de capes absorbents, s'observa una disminució anòmala de l'absorció i es combina amb un augment simultani de reflexió i transmissió en les freqüències de Bragg que contrasta amb la usual disminució de transmissió, característica dels sistemes conservatius a eixes freqüències. Per a un medi similar de capes, amb un reflector rígid darrere, les ones fora del pla incidint l'estructura des de un medi homogeni, augmentaran considerablement la interacció. En altres paraules, el retràs temporal de les ones sonores dins del sistema periòdic augmentarà significativament produint un augmen / Cebrecos Ruiz, A. (2015). Transmission, reflection and absorption in Sonic and Phononic Crystals [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/56463 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio