Etude théorique et expérimentale du couplage optique dans les systèmes optomécaniques

Theoritical and experimental study of optical coupling in optomechanical systems

• Auteur / Autrice : Boris Taurel
• Direction : Laurent Duraffourg, Pierre Labeye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 09/01/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Legrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elise Ghibaudo, Lionel Buchaillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Legrand, Pierre Viktorovitch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs optiques

Mots clés libres

Optomécanique

Optique guidée

Système

Optomechanics

Guided optics

System

Résumé

Dans ce travail, nous étudions les résonateurs optomécaniques en forme d'anneaux suspendus et les résonateurs optomécaniques à base de guide d'onde sub-longueur d'onde (SWG - pour Sub-wavelength grating). La première approche présentée - les anneaux suspendus - sert d'introduction aux notions générales et aux techniques expérimentales.Dans une deuxième approche, nous proposons de co-intégrer des guides d'ondes SWG à l'intérieur d'une cavité Fabry-Perot. L'indice de réfraction d'un guide d'ondes SWG est périodique avec un pas beaucoup plus petit que la longueur d'onde, ce qui permet une propagation optique sans perte et sans effet de diffraction. Le milieu peut être considéré uniforme, avec un effet de moyennage sur son indice de réfraction.En particulier, nous mettons en évidence de nouveaux mécanismes optomécaniques issus du guide d'ondes SWG, et attendons un fort taux de couplage optomécanique.Tout au long de la thèse, l'étude systématique des propriétés optiques, mécaniques et optomécaniques de chaque structure est menée, sur la base de modèles analytiques simplifiés et de simulations numériques. La réalisation technologique des structures sur wafers silicium de 200 mm est présentée, ainsi que des caractérisations expérimentales optiques et optomécaniques.

In this work, we study ring shaped suspended optomechanical resonators, and Sub-Wavelength Grating (SWG) based optomechanical resonators.The first approach presented - suspended ring resonators - serves as an introduction over general equations and experimental techniques.On a second approach, we propose to co-integrate SWG waveguides inside of a Fabry-Perot cavity. The refractive index of a SWG waveguide is periodic with a pitch way smaller than the wavelength, that results in a lossless propagation with no diffraction effects. The medium can be approximated as uniform, with an averaging effect over its refractive index.In particular, we evidence new optomechanical mechanisms arising from the SWG waveguide, and expect a strong optomechanical coupling strength.All along the thesis, a systematic optical, mechanical, and optomechanical study of each structure is conducted, both with simplified analytical models and numerical simulations. The technological realisation of the structures over 200 mm Silicon wafers is presented, along with optical and optomechanical experimental characterisations.