Academic literature on the topic 'Micro-résonateur'

Dans ce manuscrit nous présentons une expérience de mesure optique ultrasensible des vibrations mécaniques d'un micro-miroir dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Le micro-miroir est constitué d'un résonateur de taille micrométrique en silicium, de fréquence de résonance de l'ordre du mégahertz, sur lequel est déposé un traitement optique de haute réflectivité. La sensibilité très élevée des mesures interférométriques est en principe suffisante pour observer les fluctuations quantiques de point zéro du résonateur. Pour atteindre le régime où l'énergie d'agitation thermique du micro-résonateur devient négligeable devant celle de l'état quantique fondamental, sa température doit être inférieure à 30 microKelvin. Afin d'approcher cette température, nous avons utilisé à la fois des méthodes cryogéniques traditionnelles et une technique de refroidissement laser basée sur les effets dynamiques de la pression de radiation dans une cavité désaccordée. Nous avons ainsi étudié la possibilité de combiner mesures optiques de haute sensibilité et cryogénie en plaçant le micro-résonateur et la cavité dans un cryostat à circulation d'hélium liquide. Nous avons mesuré le spectre de bruit thermique à température cryogénique et réalisé un refroidissement par pression de radiation du micro-résonateur. Nous avons également étudié un nouveau mécanisme de couplage optomécanique à trois modes, à bandes latérales résolues, plus efficace pour refroidir un micro-résonateur. Nous avons mis en évidence à la fois un effet de réduction et d'augmentation de la température effective du micro-miroir selon le couplage des modes optiques. Cette technique permet également d'étudier le phénomène des instabilités paramétriques pouvant apparaître dans les interféromètres gravitationnels de seconde génération.

On présente une expérience de mesure optique de la position d'un micro-miroir inséré dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse, constitué d'un traitement optique présentant peu de pertes déposé sur un résonateur sub-millimétrique en silicium. On a mesuré son bruit thermique sur une large plage de fréquences et étudié les caractéristiques de ses modes propres de vibration qui ont des fréquences de résonance élevées (1 MHz) et des faibles masses effectives (100 µg). Une force électrostatique permet de tester sa réponse mécanique et de le refroidir en utilisant un processus de friction froide. On a aussi démontré un refroidissement par pression de radiation dans une cavité désaccordée, un chauffage et même une instabilité dynamique. Ces techniques, associées à la cryogénie passive, devraient permettre de refroidir suffisamment le micro-résonateur pour observer son état quantique fondamental. On présente enfin une étude expérimentale de l'effet photothermique
We present a very sensitive optical measurement of the mechanical vibrations of a micro-mirror inserted in a high finesse Fabry-Perot cavity, made of a low-loss dielectric coating deposited on a sub-millimetric silicon etched resonator. We have measured the thermal noise of the resonator over a wide frequency range and characterized its eigenmodes which have high frequency resonances (1 MHz) and low effective masses (100 µg). With an electrostatic force, we have tested its mechanical response and cooled it with a cold damping technique. We have also demonstrated a new cooling mechanism, induced by radiation pressure in a detuned cavity, and even observed an optomechanical instability at large intracavity power. These cooling mechanisms, combined with passive cryogenic techniques, may lead to the observation of the quantum ground state of the mechanical oscillator. An experimental study of the photothermal effect follows

On présente une expérience de mesure optique ultrasensible des vibrations mécaniques d'un micro-miroir inséré dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Le micro-miroir est constitué d'un traitement optique présentant peu de pertes déposé à la surface d'un résonateur de taille sub-millimétrique en silicium. On a mesuré le bruit thermique du résonateur sur une large plage de fréquences et déterminé les caractéristiques de ses modes propres de vibration: fréquence, facteur de qualité, masse effective, structure spatiale. Ces modes ont des fréquences de résonance élevées (1 MHz) et des faibles masses effectives (100 µg). On a appliqué une force électrostatique sur le micro-résonateur, ce qui a permis de tester sa réponse mécanique et de le refroidir par contrôle actif en mettant en oeuvre un processus de friction froide.

On a également mis en évidence un effet d'auto-refroidissement dû à la modification de la dynamique par la pression de radiation dans une cavité désaccordée. On a observé selon le désaccord un refroidissement et un chauffage du résonateur, qui conduit à forte puissance à une instabilité dynamique.

Ces techniques de refroidissement combinées à de la cryogénie passive devraient permettre de refroidir suffisamment le micro-résonateur pour observer son état quantique fondamental.

On présente enfin une étude expérimentale de l'effet photothermique et une mesure des dilatations induites par l'échauffement lié à l'absorption de lumière dans les traitements optiques.

Nous présentons la réalisation d'un montage expérimental visant à mesurer optiquement les fluctuations quantiques de position d'un résonateur mécanique macroscopique. Le résonateur est placé dans un environnement cryogénique et son mouvement est observé grâce à une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Nous avons conçu et réalisé un résonateur optimisé pour l'observation de ses fluctuations quantiques de position. Il s'agit d'un micro-pilier en quartz vibrant selon un mode de compression et maintenu en son milieu par une fine membrane. Nous avons obtenu un mode fondamental de vibration oscillant à 4 MHz avec un facteur de qualité mécanique de près de deux millions. Nous avons conçu une cavité Fabry-Perot de grande finesse avec ce résonateur. Un miroir de haute réflectivité est déposé uniquement au sommet du pilier afin d'éviter de dégrader son facteur de qualité mécanique. Nous avons développé une technique d'ablation par laser pour réaliser des coupleurs d'entrée de la cavité ayant à la fois un très faible rayon de courbure et une grande réflectivité. Ceci nous a permis de construire une cavité de finesse 50 000 dont la taille du col optique, inférieure à 10 μm, est bien adaptée aux dimensions du résonateur. Nous avons fait développer un cryostat à dilution optimisé pour une mesure de position ultrasensible, dans lequel nous avons placé le dispositif optomécanique. L'ensemble du montage optique, constitué d'une source laser ultra-stable et d'un dispositif de détection des mouvements du résonateur, nous a permis d'observer les fluctuations thermiques de position du résonateur jusqu'à une température de l'ordre de 1 K.

Nous présentons la réalisation d’un montage expérimental visant à mesurer optiquement les fluctuations quantiques de position d’un résonateur mécanique macroscopique. Le résonateur est placé dans un environnement cryogénique et son mouvement est observé grâce à une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Nous avons conçu et réalisé un résonateur optimisé pour l’observation de ses fluctuations quantiques de position. Il s’agit d’un micro-pilier en quartz vibrant selon un mode de compression et maintenu en son milieu par une fine membrane. Nous avons obtenu un mode fondamental de vibration oscillant à 4 MHz avec un facteur de qualité mécanique de près de deux millions. Nous avons conçu une cavité Fabry-Perot de grande finesse avec ce résonateur. Un miroir de haute réflectivité est déposé uniquement au sommet du pilier afin d’éviter de dégrader son facteur de qualité mécanique. Nous avons développé une technique d’ablation par laser pour réaliser des coupleurs d’entrée de la cavité ayant à la fois un très faible rayon de courbure et une grande réflectivité. Ceci nous a permis de construire une cavité de finesse 50 000 dont la taille du col optique, inférieure à 10 µm, est bien adaptée aux dimensions du résonateur. Nous avons fait développer un cryostat à dilution optimisé pour une mesure de position ultrasensible, dans lequel nous avons placé le dispositif optomécanique. L’ensemble du montage optique, constitué d’une source laser ultra-stable et d’un dispositif de détection des mouvements du résonateur, nous a permis d’observer les fluctuations thermiques de position du résonateur jusqu’à une température de l’ordre de 1 K
We present the operation of an experimental setup designed to optically measure the quantum position fluctuations of a macroscopic mechanical resonator. The resonator is kept in a cryogenic environment and its movement is monitored with a high-finesse Fabry-Perot cavity. We have designed and realized an optimized resonator for the observation of its quantum position fluctuations. It consists in a quartz micropillar vibrating on a compression mode and clamped at its center by a thin membrane. We have demonstrated a fundamental vibration mode oscillating at 4 MHz with a mechanical quality factor close to two millions. We have implemented this resonator in a high-finesse Fabry-Perot cavity. A high-reflectivity mirror is coated only on top of the pillar in order to avoid any altering of its mechanical quality factor. We have developed a laser photoablation technique in order to realize the coupling mirror of the cavity with a very small radius of curvature as well as a high reflectivity. This allows us to build a cavity with a finesse of 50 000 and an optical beam waist, smaller than 10 µm, fitting the transverse size of the resonator. We had make a dilution refrigerator especially designed and optimized for ultrasensitive position measurement, in which we have operated the optomechanical device. The whole optical setup, made of an ultra-stable laser source and a resonator motion detection device, allows us to observe thermal position fluctuations of the resonator down to about 1 K

Les peignes de fréquences optiques trouvent de nombreuses applications dans les domaines de l'optique, la physique, la spectroscopie et l'optoélectronique entre autres. Le laser à verrouillage de modes est, historiquement, le système à l'origine de ces peignes de fréquences. Plus récemment, dans la quête pour la miniaturisation des générateurs de peignes de fréquences optiques, les micro-résonateurs et mini-résonateurs ont émergé comme des alternatives attirantes grâce à leur compacité et aux propriétés d'accumulation de puissance, de sélectivité modale et de stabilité mécanique. Les travaux de thèse présentés ici portent sur l'étude et la modélisation des peignes Kerr à base de résonateurs passifs. Le premier chapitre fait un état de l'art des micro et mini peignes Kerr et met en avant les avantages de ces plateformes pour la génération de peignes de fréquences optiques. Le deuxième chapitre présente le formalisme utilisé pour l'étude des résonateurs passifs en régime linéaire et non-linéaire. L'approche non-linéaire est basée sur un modèle itératif issu des travaux d'Ikeda, permettant d'étudier la formation de peignes Kerr dans les résonateurs passifs. Dans le troisième chapitre, des résultats de génération de peignes Kerr dans un résonateurs intégré sont présentés et confrontés à des résultats de simulations basés sur le modèle introduit dans le chapitre qui précède. Le dernier chapitre vise à étudier l'impact d'un couplage d'accès non idéal sur la génération de peignes Kerr dans les résonateurs passifs. Des simulations sont présentées, mettant en lumière l'influence importante du choix du coupleur sur le type de peigne généré par l'ensemble résonateur-coupleur
Optical frequency combs find applications in optics, physics, precision spectroscopy and opto-electronics among others. The mode-locked laser is historically the system at the origin of these combs. More recently, in the quest for the miniaturization of optical frequency comb generators, micro-resonators and mini-resonators have emerged as attractive alternatives due to their compact nature as well as their mode selectivity and power enhancement properties. The work presented in this thesis is centered on the modeling of passive resonator based Kerr frequency combs. The first chapter of this thesis presents a state of the art of micro and mini Kerr frequency combs and puts forth the advantages of resonator-based platforms for the generation of optical frequency combs. The second chapter presents the model used to study passive optical resonators in the linear and non-linear regimes. The non-linear approach is based on an Ikeda map, allowing the study of Kerr comb formation in passive resonators. In the third chapter, Kerr frequency combs generated in an integrated resonator are presented. These results are compared to simulation results based on the model presented in the preceding chapter. The last chapter studies the impact of frequency-dependent access coupling parameters on the generation of Kerr frequency combs. Simulation results are presented, bringing to light the importance of the influence that these coupling parameters have on the combs generated in the resonator

Dans le cadre du développement actuel des micro-technologies, de nouveaux types de gyromètres voient le jour : les micro-gyromètres vibrant à effet Coriolis. Leur taille et leur coût sont sans commune mesure avec les gyromètres existants et ouvrent la voie à de nouvelles applications, notamment le pilotage des futurs micro-drones. L'objet de mon travail de thèse est l'analyse du potentiel de performances du micro-gyromètre en quartz VIG développé à l'ONERA et la conception d'une électronique (oscillateur et détection) adaptée à la structure mécanique du capteur. La démarche s'organise en trois parties. Dans un premier temps, le potentiel de performances du micro-gyromètre est analysé grâce au développement de modèles multi-physique incluant la mécanique, la piézoélectricité et l'électronique associée. L'étude de ces modèles met ainsi en évidence les paramètres limitant les performances, et les boucles d'asservissement à réaliser sur l'électronique associée. De nouveaux circuits sont alors étudiés puis réalisés, notamment un nouveau concept d'oscillateur à PLL avec asservissement de l'amplitude de la vibration mécanique pilote et de la phase aux bornes du résonateur, et une électronique de détection améliorée. Enfin, les résultats expérimentaux d'une maquette complète du micro-gyromètre bénéficiant des nouveaux circuits électroniques sont présentés et les limitations des performances analysées
Thanks to the recent developments of micro-technologies, a new kind of gyrometer appears: the Coriolis micro-gyrometer. Its cost and size are a lot smaller than those of existing gyrometers and make possible new applications such as the guidance of future micro-drones. The goal of my work is the analysis of the performances of the micro-gyrometer VIG developed at ONERA and the design of a new electronics (oscillator and detection) adapted to the mechanical structure of the sensor. This study is organized in three parts. First, the performances of the micro-gyrometer are analyzed with the development of multi-physics models including mechanics, piezoelectricity and electronics. The study of these models points out the parameters limiting the performances and the control loops to implement on the electronics. New circuits are then developed, such as a new concept of oscillator with a control loop to control the amplitude of the pilot mechanical vibration another one to control the phase across the resonator, and also an amelioration of the detection electronics. Finally, experimental results of a complete micro-gyrometer including the new electronics are presented and the performances limitations are discussed

L'objectif de cette thèse a consisté à étudier différentes topologies d’oscillateur à faible bruit de phase et de synthèses de fréquence à 4.6 GHz pour une application de la micro-horloge atomique au Césium. Nous avons étudié 7 topologies d'oscillateur à 2,1 GHz (à base du résonateur BAW utilisant la filière technologie 0.25μm SiGe:C BiCMOS de chez STMicroelectronics) à faible bruit de phase présentant des performances à l’état de l’art pour certaines topologies. Une comparaison expérimentale de ces différentes topologies a confirmé les résultats théoriques. En particulier, les résultats expérimentaux ont montré que la topologie différentielle possède de meilleures performances en bruit de phase et qu'elle est moins sensible aux bruits provenant des alimentations comparées aux topologies single-ended. Enfin, une topologie Double-Colpitts-Différentiel a été proposée. Elle a permis d'obtenir théoriquement des performances en bruit de phase, en encombrement au delà de l'état de l'art. Différentes architectures des synthèses de fréquence à 4,6 GHz ont été étudiées. Nous avons réalisé une synthèse de fréquence utilisant un circuit DDS piloté par un FPGA. Pour obtenir de bonnes performances au niveau de la pureté du spectre, différents circuits commerciaux constituant cette synthèse de fréquence ont été caractérisés finement. Finalement, l’architecture proposée a été utilisée au sein d'un dispositif complet de micro-horloge de césium. Nous avons obtenu un signal verrouillé présentant une stabilité de 2.5 10 – 9 à 1seconde
The objective of this thesis is to study different topologies of low phase noise oscillator as well as a frequency synthesizer at 4.6 GHz for the application of Cs vapor microcell atomic clock. We have studied 7 topologies of low-phase-noise oscillators combined with BAW resonator and 0.25μm SiGe:C BiCMOS Technology from ST Microroelectronics at 2.1 GHz, which present the stat of the art performances. An experimental comparison of these different topologies confirmed the theoretical results. In particular, experimental results showed that the differential topology has better performance in phase noise and is less sensitive to the noise from power supply compared to the single-ended topologies. Finally, a Double-differential-Colpitts topology was proposed, because it was theoretically possible to obtain performance beyond the state of the art in phase noise and in size. Different architectures of frequency synthesizer at 4.6 GHz were studied. We have realized a frequency synthesizer in which a DDS controlled by a FPGA was used. To get good performance in terms of purity of the spectrum, different commercial circuits constituting the frequency synthesis were finely characterized. Finally, the proposed architecture has been used within a completed Cs vapor microcell atomic clock. We got a signal locked with a stability of 2.5 10 – 9 at 1second

Cette thèse est consacrée à l'étude fondamentale et au développement de micro-sources lasers en matériaux organiques, susceptibles de débouchés dans les technologies de l'information et les biotechnologies. Nous avons exploré l'aspect tridimensionnel (3D) de ces lasers, tant en termes de fabrication que de caractérisation. Concernant la fabrication, nous avons fait évoluer la géométrie des microlasers, auparavant quasi-bidimensionnelle (2D, issue de films fins) vers une géométrie 3D (comme des cubes). Des procédés de lithographie UV épaisse ou d'écriture directe au laser par photo-polymérisation à 2 photons ont été adaptés pour réaliser des formes sur mesure de micro-résonateurs optiques incluant un colorant. Afin d'étudier l'émission très anisotrope de ces lasers, nous avons conçu et développé un outil original, appelé scanner à angle solide (SAS), permettant de collecter l'émission d'un microlaser dans toutes les directions du demi-espace qui le surplombe, avec une grande précision. Le SAS a permis de constater que les microlasers 2D émettent principalement hors-plan. Un modèle a été développé pour expliquer cet effet et émettre des prédictions. D'autre part, différentes formes de microlasers 2D ont été analysées, à partir de leurs directions et spectres d'émission, grâce au formalisme semi-classique des orbites périodiques. En particulier, une orbite diffractive a été observée dans les triangles, ce qui ouvre la voie à une étude systématique de la diffraction par un coin diélectrique. Nous apportons également une explication à la directionalité de l'émission par des microlasers carrés. Pour finir, les premières caractérisations 3D de micro-lasers 3D ont été réalisées.