Thèse soutenue

Développement d'un gyroscope intégré en technologie de guide d'onde SiN
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Auteur / Autrice : Eva Kempf
Direction : Paul CharetteRégis Orobtchouk
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Département Sciences pour l'ingénieur / Photonique
Date : Soutenance le 07/06/2022
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL
Equipe de recherche : INL - Ingénierie et conversion de lumière (i-Lum)
Jury : Président / Présidente : Jean-Emmanuel Broquin
Examinateurs / Examinatrices : Paul Charette, Régis Orobtchouk, Jean-Emmanuel Broquin, Gilles Lérondel, Monique Thual, Stéphane Monfray
Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Lérondel, Monique Thual

Résumé

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Les gyroscopes sont des capteurs de vitesse angulaire présents dans un nombre varié d'applications, telles que l'électronique grand public, l'automobile, l'aéronautique et le militaire. Il en existe trois grandes catégories, avec des performances différentes : les gyroscopes mécaniques, vibratoires (MEMS), et optiques. Le choix du type de gyroscope dépend de l'application visée : les gyroscopes optiques et mécaniques sont très précis mais coûteux et volumineux, tandis que les gyroscopes MEMS sont bon marché, mais leur sensibilité est limitée. L'émergence de la navigation autonome requiert l'utilisation de capteurs compacts et précis, et la recherche s'est tournée vers l'intégration des gyroscopes optiques sur des circuits photoniques. Le but de cette thèse est de proposer des pistes de développement de gyroscopes optiques pouvant être fabriqués sur la plateforme photonique de STMicroelectronics, DAPHNE, à grande échelle et à moindre coût. Nous nous sommes concentrés sur l'intégration d'un gyroscope basé sur le concept d'un anneau résonant dont la fréquence de résonance varie avec la vitesse de rotation (effet Sagnac). Cette intégration est cependant complexe, car la sensibilité des gyroscopes optiques est directement reliée à leur taille et aux pertes de propagation dans l'anneau via la pente de la résonance. Deux pistes ont donc été étudiées pour augmenter la pente de la résonance : coupler l'anneau à un interféromètre de Mach-Zehnder afin d'obtenir des résonances de Fano, et développer des guides d'onde slots horizontaux en SiN incorporant une couche d'alumine dopée erbium pour réduire les pertes effectives par de l'amplification optique. Dans le premier cas, un gain d'un facteur 2 a été démontré sur la sensibilité. Dans le second cas, des pertes de 4 dB/cm et des facteurs de qualité de 50000 ont été mesurés sur des guides d'onde et anneaux passifs fabriqués à l'INL, prouvant l'intérêt de la technologie, qui pourrait encore être améliorée en transférant la fabrication à STMicroelectronics.