A contribution to photonic MEMS : study of optical resonators and interferometers based on all-silicon Bragg reflectors

par Maurine Malak Karam

Thèse de doctorat en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Tarik Bourouina.

Le président du jury était Alain Bosseboeuf.

Le jury était composé de Tarik Bourouina, Elodie Richalot, Wilfried Noell, Ai-Qun Liu.

Les rapporteurs étaient Lionel Buchaillot, Henri Camon.

  • Titre traduit

    A contribution to photonic MEMS Contribution aux MEMS photoniques : étude de résonateurs et interféromètres optiques basés sur des réflecteurs de Bragg tout silicium


  • Résumé

    Ce travail de recherche a été mené afin d'introduire une nouvelle classe de résonateurs Fabry-Pérot (FP) : les cavités FP incurvées basées sur des miroirs de Bragg sans revêtement, de forme cylindrique sont obtenues par micro-usinage du silicium. Une autre spécificité est la longueur de la cavité relativement grande (L> 200 µm) combinée à un haut facteur de qualité Q (jusqu'à 10^4 ), pour répondre aux applications de type spectroscopie d'absorption améliorée par résonance optique, dans lesquelles le produit Q.L est une figure de mérite. Dans ce contexte, l'architecture de base a été modélisée analytiquement pour déterminer les modes transverses d'ordre élevé supportés par de telles cavités. Par conséquent, les conditions expérimentales qui conduisent à une excitation préférentielle (ou rejet) de ces modes ont été testées menant à la validation de notre modèle théorique et à une meilleure compréhension du comportement de la cavité. Une seconde architecture,basée sur la cavité FP incurvée avec une lentille cylindrique a été développée dans le but de fournir une architecture plus stable. Cette dernière a été également modélisée, fabriquée et caractérisée, menant à l'amélioration attendue en termes de performances. D'un autre côté, un point surlignant l'une des applications potentielles que nous avons identifiées pour les cavités incurvées est présentée en insérant la cavité dans un système électromécanique. Ceci consiste à exciter et mesurer les vibrations d'amplitude nanométrique par couplage opto-mécanique dans un résonateur mécanique MEMS intégrant une cavité optique FP. Enfin, comme complément à notre étude sur les résonateurs, nous avons commencé à explorer les applications des interféromètres optiques à base de miroirs de Bragg en silicium. À cette fin, un microsystème de mesure optique a été conçu, fabriqué et caractérisé, il consiste en une sonde optique pour la profilométrie de surface dans des milieux confinés, basé sur un interféromètre de Michelson monolithique en silicium


  • Résumé

    This research work has been conducted to introduce a novel class of Fabry-Perot (FP) resonators : curved FP cavity based on coating-free Bragg mirrors of cylindrical shape, obtained by silicon micromachining. Another specificity is the rather large cavity lengths (L>200 µm) combined with high quality factor Q (up to 104), for the purpose of applications requiring cavity enhanced absorption spectroscopy, in which the product Q.L is a figure of merit. In this contest, the basic architecture has been modeled analytically to know the high order transverse modes supported by such cavities. Hence, the experimental conditions which lead to preferential excitation (or rejection) of these modes have been tested experimentally leading to the validation of our theoretical model and to a better understanding of the cavity behaviour. A second architecture, based on the curved FP together with a fiber rod lens has been developed for the purpose of providing stable designs. It was also modeled, fabricated and characterized leading to the expected performance improvements. On another side, a highlight on one of the potential applications that we identified for the curved cavities is presented by inserting the cavity into an electro-mechanical system. It consists of exciting and measuring tiny vibration through opto-mechanical coupling in a MEMS mechanical resonator embedding an FP cavity.Finally, as a complement to our study on resonators, we started exploring applications of optical interferometers based on similar micromachined silicon Bragg mirrors. For this purpose, an optical measurement microsystem was designed, fabricated and characterized ; it consists of an optical probe for surface profilometry in confined environments, based on an all-silicon Michelson interferometer

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