Cavités optomécaniques de type "membrane-in-the-middle" : études théoriques et applicatives dans le proche et moyen infrarouge

Cavity optomechanics based on the "membrane-in-the-middle" setup : theoretical and applied studies in the near and mid-infrared region

• Auteur / Autrice : Joris Baraillon
• Direction : Laurent Duraffourg, Pierre Labeye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 28/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Emmanuel Broquin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Favero, Olivier Arcizet, Cédric Ayela
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Delphine Marris-Morini, Bernard Legrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie -- Instruments

Optomécanique

Mots clés libres

Cavités optomécaniques

Capteurs optiques

Résonateurs

Membrane

Optique fibrée

Spectroscopie Mid-IR

Cavity optomechanics

Optical sensors

Resonators

Membrane-In-The-Middle

Fiber optic

Mid-IR Spectroscopy

Résumé

Cette thèse porte sur le développement de cavités spectroscopiques optomécaniques dans la gamme des longueurs d’onde moyen infrarouge (MIR, entre 3 et 12μm plus spécifiquement). En effet dans cette gamme spectrale, les détecteurs ont une détectivité dégradée par rapport aux détecteurs dédiés aux bandes visible et proche infrarouge. L’interaction optomécanique est une méthode de transduction de choix qui exploite l’interaction réciproque d’une cavité optique résonnante et d’un résonateur mécanique. Cette technique pourrait en effet permettre de pallier le problème de détectivité via la méthode de pompe – sonde respectivement dans le MIR et le visible. Elle pourrait également permettre d’obtenir une meilleure résolution spectrale des lignes d‘absorption des molécules gazeuses et d’atteindre de très bonnes limites de détection pour une large sélection d’espèces chimiques. Enfin, ces travaux étendent le domaine des cavités optomécaniques à la gamme du MIR, ouvrant ce dernier à diverses applications capteurs. La thèse a été organisée selon une approche classique en commençant par une étude théorique générale. Une modélisation générique de l’ensemble des interactions optomécaniques (dispersive et dissipative) a été donc proposée et validée sur des cas concrets tirés de la littérature, par comparaison avec des mesures existantes. Ces développements ont permis d’aboutir notamment à des expressions complètes des effets optomécaniques dynamiques induits (effet de ressort optique et amortissement optomécanique). Le système « membrane-in-the-middle » (MIM) composé d’une membrane suspendue au sein d’une cavité Fabry Perot a été choisi, puisque particulièrement adapté pour l’application visée. Nous avons dimensionné une microcavité optomécanique basée sur cette architecture et construit un procédé de microfabrication en technologie silicium. Elles ont été conçues spécifiquement pour la détection du dioxyde de carbone (CO2), via la mesure de déca lage de la fréquence de résonance mécanique induit par les pertes pas absorption minimisant l’impact de l’effet de ressort optique. La limite de détection dans le cas de traces de CO2 est estimée numériquement entre 10 et 100 ppb (partie par milliard), via des analyses analytiques couplées à des simulations multiphysiques par éléments finis. En parallèle de ces développements, et afin de mieux cerner les caractéristiques d’un tel système, nous avons mis en oeuvre un nouveau type de cavité MIM hydride utilisant des réseaux de Bragg fibrés et lentillés et des miroirs diélectriques dans le proche infrarouge (NIR, 1.55μm). Nous avons caractérisé sur un banc dédié le mouvement thermomécanique de membranes commerciales en nitrure de silicium (SiN ou Si3N4) à l’aide d’une diode laser à cavité externe asservie optiquement (via la méthode Pound-Drever-Hall) sur nos cavités optomécaniques fibrées. Une analyse complète de la stabilité fréquentielle, ainsi que du comportement optique, ther mique et mécanique de ce système a été réalisée, et son utilisation en tant que capteur est également envisagé. Le modèle théorique permet d’ailleurs de mieux appréhender les différents types couplages en jeu expérimentalement. En conclusion, des applications concrètes de ces cavités ont été envisagées. Une cavité optomécanique macroscopique de type MIM dans la gamme MIR a ensuite été assemblée avec des miroirs de Bragg multicouches (alternances de silicium amorphe et silice fabriquées en salle blanche) ad-hoc, la microcavité finale étant basée sur l’utilisation de ces multicouches spécifiques. Les micro cavités MIM pour le moyen infrarouge intégrant une membrane Si3N4 sont en cours de fabrication.

This thesis deals with the development of optomechanical spectroscopic cavities in the mid-infrared wavelength range (MIR, between 3 and 12μm). Indeed, in this spectral range, detectors have a degraded detectivity compared to visible or even near infrared detectors. The optomechanical interaction is a method of choice for transduction. This technique could allow to overcome this problem via the pump-probe method in the MIR and the visible ranges respectively. It could also allow to obtain a better spectral resolution of the absorption lines of gaseous molecules and to reach very good detection limits for a large selection of chemical species. This work finally extends the field of cavity optomechanics to the MIR range, opening the latter to various sensor applications. The thesis has been organized according to a classical approach, starting with a general theoretical study. A generic model of the whole optomechanical interactions (dispersive and dissipative) has been proposed and validated on concrete cases taken from the literature, by comparison with existing measurements. These developments have led to complete expressions of the dynamic optomechanical effects (optical spring effect and optomechanical damping). The "membrane-in-the-middle" (MIM) system, composed of a membrane suspended in a Fabry Perot cavity, has been chosen as it is particularly well suited for this application. We have designed an optomechanical microcavity based on this architecture and a microfabrication process in silicon technology. They have been designed specifically for the detection of carbon dioxide (CO2), via the measurement of the mechanical resonance frequency shift induced by the absorption losses minimizing the impact of the optical spring effect. The limit of detection in the case of traces of CO2 is numerically estimated between 10 and 100 ppb (parts per billion), based on analytical analyses coupled with multiphysics finite element simulatio ns. In parallel to these developments, and in order to better define the characteristics of such a system, we have implemented a new type of hybrid MIM cavity using lensed fiber Bragg gratings and dielectric mirrors in the near infrared region (NIR, 1.55μm). We have characterized on a dedicated bench the thermomechanical motion of commercial silicon nitride (SiN or Si3N4) membranes using an external cavity laser diode stabilized (with the Pound-Drever-Hall method) on our fiber optomechanical cavities. A complete analysis of the frequency stability, as well as the optical, thermal and mechanical behavior of this system has been performed, and its use as a sensor is considered. The theoretical model also allows a better experimental understanding of the different types of couplings at play. We then assembled a macroscopic MIM optomechanical cavity in the MIR with multilayer Bragg mirrors (composed of amorphous silicon and silica). The final microcavity is indeed based these speci fic mirrors. The MIM cavities integrated with a Si3N4 membrane are currently in fabrication at the CEA-Leti cleanroom platform.