Academic literature on the topic 'Micro-résonateurs'

Parmi les capteurs optiques visant la détection d’espèces chimiques ou biologiques, les dispositifs basés sur des microrésonateurs présentent un intérêt spécifique: ils n’ont pas besoin de marqueurs fluorescents, et leur fabrication est peu coûteuse. Le présent article décrit un capteur de ce type, basé sur des guides en anneau immergés dans un circuit microfluidique, et donne une illustration de ses performances pour la détection d’ions lourds dans l’eau potable.

Les micro-résonateurs (MRs) sont devenus des éléments clés de la conception de capteurs optiques intégrés, car étant plus miniaturisés que l’existant, ils s’intègrent mieux dans des systèmes ''lab-on-chip'', ce qui permet aussi de réduire le volume des molécules à détecter. Les MRs sont de plus très sensibles à la variation d’indice effectif provoquée par la présence de molécules dans le milieu de détection. Dans cette thèse, nous avons utilisé deux types de matériaux différents: les polymères et le silicium poreux. Les polymères, facilement réalisables avec des méthodes de fabrication peu onéreuses, sont dans un premier temps utilisés pour valider les outils de simulation développés pour l’étude des caractéristiques des MRs pour l’application capteur basée sur la détection par évanescence. Le silicium poreux permet d'exploiter un autre mode de détection, la détection en volume. Les molécules présentes dans le milieu de détection s'infiltrent dans le matériau et réagissent de manière directe avec la lumière. En utilisant les outils de simulation développés et en adaptant le procédé de photolithographie classique utilisé pour la fabrication de MRs en polymères, des premiers MRs constitués de guides ridges à base de silicium poreux sont mis en œuvre et caractérisés. Ces travaux de thèse démontrent expérimentalement la possibilité de détecter des concentrations de glucose avec une meilleure sensibilité que l'état de l'art pouvant atteindre les 600 nm/RIU, pour les domaines utilisant la détection et l'analyse de molécules (santé-agro, défense-sécurité, environnement)
Micro-resonators have become key element for integrated optical sensor because they offer the advantage of significantly minimizing the device size, which allows an easily integration on lab-on-chip and greatly reduces the amount of molecules to be detected. Moreover, micro-resonators are extremely sensitive to the effective index variation induced by the presence of molecules in the detection medium. The thesis focuses on two different materials: polymers and porous silicon. Firstly, polymers, easily implementable with a low cost fabrication, are used to validate the simulation tools developed for the study of micro-resonators characteristics in order to perform sensing application based on the detection by evanescence. Then, porous silicon is investigated in order to operate another type of detection, the detection by volume. The molecules to be detected and present in the medium detection infiltrate into the material and interact directly with the light. Using simulation tools and by adapting the photolithographic process used for polymers micro-resonators fabrication, the first micro-resonators based on porous silicon ridge waveguides are obtained and characterized. The work contained in this thesis demonstrate experimentally the possibility of sensing concentrations of glucose with a sensitivity of 600 nm/RIU, using volume detection, which is higher than the state of the art, for domains using the sensing and analysis of molecules (health, food industries, security and environment)

Ce travail concerne l'étude et la réalisation de dispositifs hyperfréquences coplanaires de type composite main droite/gauche (CRLH). Dans la première partie du mémoire, l'état de l'art des structures CRLH et leur aspect théorique sont présentés. La deuxième partie concerne la modélisation circuit et la conception de la cellule CRLH de base. Un modèle circuit a été développé à partir des modèles existants. Un résonateur d'ordre zéro (ZOR en anglais) à couplage capacitif a été fabriqué et les résultats expérimentaux nous ont permis de valider le modèle théorique. Une réduction de 80% de la taille du résonateur a été observée par rapport au résonateur demi-longueur d'onde à la même fréquence du travail. Une ligne de transmission à deux bandes de propagation a été réalisée par la mise en cascade de cinq cellules CRLH de base. La troisième partie est vouée à l'utilisation des couches magnétiques dans les structures CRLH pour réaliser des dispositifs hyperfréquences accordables. L'agilité en fréquence du ZOR a été confirmée expérimentalement. Nous avons aussi proposé un modèle théorique simple de la cellule CRLH réalisée sur un substrat de YIG. Les résultats expérimentaux de la ligne CRLH à ferrite et pour différentes valeurs du champ magnétique appliqué sont présentés et comparés au modèle théorique et aux simulations 3D.

Nous présentons dans ce mémoire de thèse des travaux qui portent sur l'étude de micro résonateurs à modes de galerie et en anneau couplés dans le but d'applications aux fonctions optiques de traitement du signal.
Dans une première partie nous présentons un modèle matriciel pour décrire la propagation de la lumière dans des structures à anneaux couplés. L'utilisation de ce modèle se résume pour des structures dont on connaît les coefficients de couplage entre les guides.
Dans le cas de résonateurs constitués d'un milieu qui ne présente pas d'effets non-linéaires nous avons montré que les structures à anneaux couples permettent de réaliser la synthèse de filtres optiques.
Si les résonateurs sont le siège d'une non linéarité dispersive d'ordre 3 nous avons deux cas possibles en fonction du type d'excitation. Hors résonance nous avons montré que nous pouvons obtenir potentiellement des dispositifs /N+1/ stables en utilisant un système formé de /N/ anneaux couplés, ainsi que la tristabilité dans un seul anneau en utilisant un signal de commande. A résonance nous avons montré que l'on peut obtenir la fonction de remise en forme du signal pour des débits de 40 Gb/s.
La deuxième partie porte sur les travaux réalisés sur l'oscillateur optoélectronique. Dans le schéma classique d'un tel oscillateur la fonction de retard optique est obtenue en utilisant une ligne à fibre optique de longueur proportionnelle au retard nécessaire. Nous voulons remplacer cette ligne avec une ligne à retard à base de microrésonateurs. Nous présentons des procédés de fabrication de résonateurs sphériques et diverses méthodes de mesure de leurs facteurs de qualité, proportionnel au retard induit.

La miniaturisation des transistors ayant atteint ses limites, des technologies alternatives capables de traiter les données sont aujourd’hui beaucoup étudiées. Dans ce contexte, nous développons une architecture de réseau de neurones mécaniques, capable de résoudre effi- cacement des problèmes non-triviaux comme la classification ou la prédiction de fonctions chaotiques. Cette architecture est inspirée des travaux sur les réseaux de neurones récur- rents (RNN), et plus particulièrement du reservoir computing. Le dispositif est un réseau d’oscillateurs MEMS anharmoniques, lui permettant ainsi d’être compact et de consom- mer peu d’énergie. Les poutres en silicium bi-encastrées ont été choisies pour réaliser le dispositif, sachant qu’elles ont été largement étudiées et sont simples à implémenter. Nous présentons ici le travail expérimental sur les MEMS non linéaires qui seront utilisés par la suite pour réaliser le dispositif. Des simulations numériques du réseau ont permis, dans un premier temps, d’identifier les requis sur la dynamique des résonateurs. Ceux-ci ont été par la suite conçus de manière à répondre le mieux possible à ces requis. Un couplage méca- nique efficace a été élaboré pour relier chacun des oscillateurs. Afin de prédire précisément le comportement des résonateurs couplés dans le régime linéaire et non linéaire, des ana- lyses par éléments finis ont été réalisées. Un procédé de micro fabrication rapide et simple a été développé. Enfin, les structures ont été caractérisées optiquement et électriquement. Les résultats expérimentaux sont en accord avec les simulations ce qui suggère que notre approche convient à la conception et à la fabrication d’un dispositif neuromorphique.

Les ondes acoustiques, démontrées théoriquement en 1885 par le scientifique anglais Lord Rayleigh, constituent de nos jours un sujet de recherches très intéressant. Elles sont devenues indispensables à la fabrication des systèmes de télécommunication miniatures et performants, tels que par exemple les filtres, les oscillateurs ou encore les capteurs. Les dispositifs fonctionnant grâce aux ondes acoustiques sont connus sous le nom de « dispositifs piézoélectriques » puisqu’ils transforment les signaux RF en ondes acoustiques, et vice versa, grâce au phénomène piézoélectrique direct. Le développement de ces dispositifs piézoélectriques a été indispensable pour répondre aux exigences particulières et extrêmes des systèmes de télécommunication actuels (sélectivité, miniaturisation, faible coût, facilité de fabrication et d’intégration). Cette thèse s’inscrit dans une démarche générale de développement des dispositifs piézoélectriques, notamment des micro-résonateurs piézoélectriques qui en constituent la dernière génération. Deux axes principaux ont été développés au cours de ces travaux de recherches : l’étude théorique des micro-résonateurs piézoélectriques à travers une modélisation électrique d’une part, et, d’autre part, la description des procédés de fabrication réalisés en salle blanche du laboratoire d’XLIM
The acoustic waves, theoretically demonstrated in 1885 by the English scientist Lord Rayleigh, are nowadays an interesting research subject. It became essential to the fabrication of miniature and efficient systems of telecommunication, such as filters, oscillators or sensors. Devices using the acoustic waves are known as piezoelectric devices, because they transform RF signal into acoustic waves, and vice versa, thanks to the direct piezoelectric phenomenon. The development of these piezoelectric devices was essential to meet the particular and extreme requirements of the current systems of telecommunication (selectivity, miniaturization, low cost, ease of manufacturing and integration). This thesis is part of a global approach to develop the piezoelectric devices, notably the piezoelectric micro-resonators which constitute the latest generation. Two main axes have been developed during the research work: the theoretical study of piezoelectric micro-resonators through an electric modelling, on one hand, and, on the other hand, the description of the manufacturing processes accomplished in clean room of XLIM’s laboratory

Depuis 1996, mes activités de recherche se sont inscrites dans les champs des nanosciences, de la physique des semi-conducteurs, des micro/nanotechnologies, et des MEMS/NEMS (Micro/Nanosystèmes électromécaniques). En particulier, j'ai rejoint en octobre 2000 le groupe Microsystèmes Silicium de l'IEMN sur le sujet des résonateurs micro-électromécaniques et de leurs applications pour le traitement du signal en gamme RF et IF. Cette activité a permis de développer les techniques de caractérisation électrique des dispositifs ainsi que leur modélisation électromécanique. A partir de 2002, j'ai étendu mes activités dans le domaine des MEMS vers les micro-actionneurs et les micro-capteurs, dont les applications concernent les nanotechnologies et la biologie. Je me suis appliqué au développement d'actionneurs électrostatiques pour un fonctionnement en milieu liquide, et au développement de capteurs capacitifs et piézorésistifs aux performances ultimes pour des applications nanométriques. Depuis 2007, l'activité de recherche se concentre sur l'utilisation des résonateurs MEMS en tant que nouvelle génération de sondes de microscopie à force atomique (AFM) à hautes performances. Cette activité est actuellement soutenue par le Conseil Européen de la Recherche (ERC) dans le cadre d'un financement Starting Grant dont je suis le bénéficiaire. En 2009, nous avons démontré le concept des sondes MEMS AFM en obtenant les premières images de microscopie, et en 2010 nous avons obtenu des images d'origamis d'ADN à la cadence rapide d'une image par seconde. Le travail de recherche se focalise maintenant sur le développement des sondes afin d'en améliorer les performances en termes de fréquence de vibration, de résolution en force et de vitesse d'acquisition. Un autre aspect concerne l'utilisation de ces sondes pour l'analyse rapide du comportement dynamique de nanobiosystèmes en milieu liquide. Ces travaux s'inscrivent dans une vision à plus long terme visant à développer des solutions à base de MEMS et de NEMS pour l'instrumentation scientifique et la nanocaractérisation multimodale.

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

La commutation optique haute vitesse, la modulation, le multiplexage-démultiplexage en longueur d'onde ainsi que le filtrage sont devenus des fonctions de plus en plus vitales dans la réalisation des réseaux d'accès fournissant des services de télécommunications à large bande passante. Une intégration à grande échelle de ces fonctions de traitement de l'information est envisageable grâce à une technologie d'optique intégrée basée sur les microrésonateurs et à l'utilisation de matériaux organiques passifs et actifs. Deux approches basées sur des microrésonateurs à base de polymère électro-optique ont été explorées. La première approche associe des guides d'ondes inorganiques et à des microrésonateurs polymères alors que la seconde est constituée uniquement de matériaux organiques. Ces deux approches nous ont permis de réaliser et de caractériser des prototypes tels que des filtres, des multiplexeurs/démultiplexeurs, des commutateurs ou des modulateurs électro-optiques
High speed optical switching, modulation, wavelength multiplexing and filtering are becoming increasingly vital functions to realize fiber optic access networks that provide high bandwidth telecommunication services to the home or building. By using existing integrated optics microresonator technology and organic electro optic materials, large scale photonic integration of active functions is feasible. A new generation of integrated optics technology will be developed into robust densely integrated active photonic platform and eventually lead to the demonstration of low power, highly manufacturable and hence low cost multiwavelength transceivers for access networks. For the engineering of optical subsystems, two different approaches, both based on electro optic polymer microresonators vertically coupled to add drop waveguides, have been investigated and implemented. The first approach uses the hybrid integration of inorganic waveguides coupled to electro optic polymer microresonators whereas the second design associates polymer waveguides and microresonators. Using these approaches, we have designed and realized working microresonator prototypes used as mux/demux, high speed switches or modulators

Ce mémoire présente l'étude et la réalisation d'oscillateurs microondes stables au moyen de résonateurs électromagnétiques à faible sensibilité thermique et d'un circuit de correction. Le premier résonateur consiste en une cavité réalisée en une céramique dont le coefficient de dilatation différentiel s'annule localement à température ambiante, l'ULE. Une méthode de dépôt métallique sur céramiqueà été développée. Notre cavité montre deux points d'inversion, à -5ʿC et à 23ʿC. Le second résonateur est un saphir à modes de galerie, sur lequel on dépose une couche mince de rutile. Les sensibilités à la température de ces deux matériaux se compensent localement dans le résonateur ainsi formé. Celui-ci présente une température d'inversion T0 de 45,7K, avec une sensibilité thermique de 1,2. 10-7 (T-T0) K-1. La présence de rutile affecte peu le coefficient de surtension du résonateur. Nous avons également étudié l'amélioration du circuit avec l'ajout d'un correcteur de fréquence. Nous comparons donc plusieurs méthodes de correction, pour choisir le correcteur de Pound, mieux adapté aux variations à moyen et long terme. Deux oscillateurs corrigés ont été réalisés. On a pu observer une diminution de 30 dB. Rad2/Hz de Sj (100 Hz). L'oscillateur corrigé utilisant le résonateur Saphir-Rutile a montré une stabilité de 2. 10-12 entre 1 et 10 s. Résonateur saphir-rutile et correcteur de Pound ont montré des résultats satisfaisants et sont désormais introduits dans de nouveaux dispositifs
This work consists of the study and realization of stable microwave oscillators by means of low temperature sensitivity microwave resonators and a correction circuit. The first resonator is a cavity made of a ceramic whose differential dilatation coefficient reaches zero at ambient temerature, ULE. An original metal layer deposition technique was developped. The cavity showed two turnover temperatures, -5ʿC and 23ʿC. The frequency curvatures around those temperatures are still quite high. The second resonator is a whispering gallery mode sapphire on which a rutile thin film was deposited. Both materials temperature sensitivities complement each other in the whole resonator. Its turnover temperature T0 is 45,7K, and its temperature sensitivity reaches 1,2. 10-7 (T-T0) K-1. The rutile presence has a very low influence on the Q0 factor. After some frequency correction methods comparison we choosed the Pound corrector, whose results are the best on long-term measurements. Two corrected oscillators were realized. We measured a 30 dB. Rad2/Hz Sj (100 Hz) reduction. The sapphire-rutile corrected oscillator's sy reached 2. 10-12 between 1 and 10 s. Sapphire-rutile resonator and Pound corrector displayed satisfying results and are from now on introduced in new devices

Les micro-résonateurs à modes de galerie, qu'ils soient déclinés sous forme de disques, anneaux ou hippodromes, sont devenus les éléments constitutifs clés de nombreux composants photoniques de haute performance. Les réalisations exploitant les semiconducteurs III-V sont particulièrement attrayantes car elles ouvrent la possibilité d'intégrer conjointement des sections actives et passives et donc de diversifier les fonctionnalités sur une même puce photonique. Au niveau technologique, l'intégration verticale du résonateur au-dessus de ses guides d'accès permet de distribuer les fonctions actives et passives sur des plans distincts et de faciliter la réalisation des composants grâce à des procédés mieux maitrisés. Une technique de fabrication récemment introduite dans l'équipe et basée sur la filière AlGaAs/AlOx a ainsi permis de réaliser, à l'aide d'étapes simples, des micro-disques couplés verticalement à leur guide d'accès. Les performances de ces composants restent toutefois limitées en raison de leur architecture, complexifiée par les empilements multicouches qui les constituent.Les travaux de recherche menés au cours de cette thèse ont porté sur la faisabilité d'émettre un peigne de fréquences optiques à partir de ces résonateurs. Pour cela, les composants doivent être conçus de manière à présenter un facteur de qualité suffisamment élevé tout en maximisant la puissance circulant dans la cavité, afin de pouvoir déclencher les processus non-linéaires à la base de la génération du peigne. Pour un composant monomode transverse, la puissance intracavité est maximale lorsque le système opère en régime de couplage critique, c'est-à-dire lorsque les pertes internes à la cavité sont égales aux pertes externes (ou pertes par couplage). Nous avons donc développé un outil semi-analytique basé sur une expansion modale afin de réaliser une modélisation paramétrique large bande des performances des systèmes couplés verticalement, encore peu étudiés, tant au plan théorique que pratique. Notre modèle générique exploite la théorie des modes couplés (CMT) et les relations universelles régissant les propriétés spectrales des micro-résonateurs couplés. Nous l'avons étendu en étudiant l'influence spectrale de différents paramètres opto-géométriques sur la fonction de transfert de la cavité couplée et avons, en particulier, mis en évidence par une approche variationnelle, deux conditions théoriques permettant d'obtenir un régime critique achromatique lorsque la cavité et son guide d'accès sont désaccordés en phase. Ce modèle à d'abord été appliqué à la simulation de résonateurs en hippodromes exploitant la filière Si3N4/SiO2 car plusieurs études ont déjà démontré la génération de peignes avec cette plateforme technologique. Ces travaux ont abouti au dessin de structures désaccordées en phase et technologiquement réalisables dont la bande passante critique est augmentée d'un ordre de grandeur par rapport au cas plus répandu de guides accordés en phase. Nous avons ensuite initié une évaluation numérique de la génération de peignes de fréquences, basée sur la résolution itérative de l'équation de Schrödinger non-linéaire prenant en compte les variations des propriétés spectrales et dispersives de ces hippodromes. Le modèle générique a enfin été appliqué aux micro-disques AlGaAs/AlOx. Pour cela, nous avons introduit un critère permettant d'utiliser la CMT dans le cas de coupleurs asymétriques présentant une zone de séparation multicouche. Les résultats, en bon accord avec l'expérience, nous ont permis de mieux appréhender les limitations des dispositifs réalisés et de proposer de nouvelles structures pour en améliorer les performances. Le dessin d'une nouvelle structure AlGaAs/AlOx multicouche permettant d'améliorer les facteurs de qualité des résonateurs jusqu'à deux ordres de grandeurs a ainsi été proposé. La validation expérimentale des dessins proposés tant pour la filière Si3N4/SiO2 que AlGaAs/AlOx est en cours
Whispering-gallery -mode micro-resonators, whether in the form of disks, rings or racetracks, have become the key building blocks of many high-performance photonic components. The embodiments exploiting the III-V semiconductors are particularly attractive for they open the possibility of integrating active and passive sections together and therefore diversify the functionalities on the same photonic chip. Furthermore, the vertical integration of the resonator above its access waveguide(s) makes it possible to distribute the active and passive functions on distinct planes and makes the realization of the components easier by using better-controlled methods. A fabrication technique recently introduced in the team and based on the AlGaAs / AlOx technological platform, allowed us to realize, by means of simple steps, vertically-coupled microdisks. The performance of these components, however, is limited due to their architecture, complicated by their constitutive multilayer stack. The research carried out during this PhD thesis focused on the feasibility of emitting an optical frequency comb from these resonators. For this purpose, the components must be designed so as to present a sufficiently high quality factor while maximizing the power circulating in the cavity in order to be able to trigger the non-linear processes required for the comb generation. For a transverse single-mode component, the intracavity power is maximal when the system operates in critical coupling regime, i.e .when the losses inside the cavity are equal to external losses (or coupling losses). As a first step, we have developed a semi-analytical tool based on a modal expansion in order to carry out a broadband parametric study of the performances of vertically coupled systems. Up to now, this coupling layout has indeed been little studied, both theoretically and practically. Our generic model, based on the coupled mode theory (CMT) and the universal relations governing the spectral properties of coupled micro-resonators, reveals two theoretical conditions for obtaining an achromatic critical-coupling regime when the cavity and its access waveguide are phase-mismatched. We first applied it to the simulation of single- mode racetrack resonators made of Si3N4 / SiO2 since several studies have already demonstrated comb generation using this technological platform. Our work resulted in the design of phase-mismatched and technologically feasible structures with critical-copuling bandwidths being increased by one order of magnitude compared to the reference case of phase- matched waveguides. We subsequently initiated a numerical evaluation of frequency comb generation, based on the iterative resolution of the non-linear Schrödinger equation taking into account the variations of the spectral and dispersive properties of these racetracks. The generic model has finally been applied to AlGaAs / AlOx microdisks. For this purpose, we have introduced a criterion allowing an unambiguous implementation of CMT in the case of asymmetric couplers having a multi-layer separation zone. The results, in good agreement with experimental data, allowed us to better understand the limitations of the fabricated devices and to propose new structures AlGaAs / AlOx with improved performances. The experimental validation of the proposed designs for both the Si3N4 / SiO2 and AlGaAs / AlOx components is currently in progress