Study of an integrated on-chip interferometer. Application for the characterization of innovative transducers.

par Walid Adel Merzouk

Thèse de doctorat en Automatique

Sous la direction de Luc Chassagne et de Barthélemy Cagneau.

Soutenue le 25-01-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV) (laboratoire) , Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles / LISV (laboratoire) .

Le président du jury était Jorge Linares.

Le jury était composé de Luc Chassagne, Barthélemy Cagneau, Jorge Linares, Ju-Yi Lee, Patrick Juncar, Aude Bolopion.

Les rapporteurs étaient Ju-Yi Lee, Patrick Juncar.

mots clés

• Nanotechnologie
• Interfèrométrie
• Optoélectronique
• Métrologie
• Polymère electro-Actifs
• Interféromètres
• Interférométrie
• Conducteurs organiques
• Polymères

Titre traduit

Etude d'un interféromètre intégré sur puce. Application à la caractérisation de transducteurs innovants.

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l’étude de deux éléments au cœur d’un système de nanopositionnement et de micromanipulation : a) un capteur interférométrique intégré sur puce ; ses caractéristiques, particularités et potentiels sont étudiés en détails ; b) un élément utilisable en capteur et actionneur : un polymère électro-actif à flexions.L'interféromètre PicoMove est le résultat de l'étroite collaboration entre LISV et l’entreprise TeemPhotonics. Cet interféromètre, qui fonctionne dans le domaine de l'infrarouge moyen (1,55 µm) est basé sur la technologie des guides d'ondes optique lui offrant une plus grande robustesse vis-à-vis de l'environnement extérieur. son architecture est basée sur une structure Michelson-Young modifiée. Des expérimentations ont été mises en œuvre pour caractériser ses performances. Il a été démontré une résolution sub-nanométrique et un très faible niveau de bruit. Une densité spectrale de puissance de 100 fm/√Hz a été atteinte en condition statique.En outre, sa robustesse aux conditions environnementales est démontrée, et ses sources d’erreurs et spécificités métrologiques sont discutées au travers d’une application sur un étage de nanopositionnement, fonctionnant avec un moteur à bobine mobile et un guidage flexible.Le second point de cette thèse concerne l’étude des propriétés électro-mécaniques d'un polymère électro-actif ionique (IEAP) en configuration poutre encastrée. Il est capable de fonctionner en mode actionneur et en mode capteur. Pour la partie actionneur, sa raideur et fréquence propre sont déterminées. Pour la partie capteur, sa bande passante, sa résolution et sa fonction de transfert sont étudiées expérimentalement.Les capacités micrométriques de ce polymère en mode actionneur et en mode capteur sont démontrées et discutées.

mots clés

• Nanotechnology
• Interferometry
• Optoelectronic
• Metrology
• Electro-Active polymer

Résumé

This work concerns the study of two elements of a system of nanopositioning and micromanipulation: a) integrated on-chip interferometric sensor; its characteristics, peculiarities and potential are studied in detail; b) an element usable in sensor and actuator mode: an electro-active flexural polymer.The PicoMove interferometer is the result of the collaboration between LISV and the company TeemPhotonics. This interferometer, which operates in the mid-infrared range (1.55 μm), is based on optical guide technology that gives a high degree of robustness to the external environment. Its architecture is based on a modified Michelson-Young structure. Experiments have been implemented to characterize its performance. It has been demonstrated nanometric resolution and very low noise level. A spectral power density of 100 fm/√Hz was reached under static conditions.In addition, its robustness to the environmental conditions is demonstrated, and the metrological specificities are discussed with details about the specific error sources. It is applied to a nanopositioning stage using mobile coil and flexible guidance.The second point of this PhD work concerns the study of electromechanical properties of an ionic electroactive polymer (IEAP) in a flexible cantilever configuration. It is able to operate in actuator mode and in sensor mode. For the actuator part, its stiffness and its natural frequency are studied. For the sensor part, its bandwidth, resolution and transfer function are experimentally studied.The micrometric capabilities of this polymer in actuator and sensor mode are demonstrated and discussed.