Développement d'un gyroscope intégré en technologie de guide d'onde SiN

Gyroscopes are rotation rate sensors used in various fields, such as consumer electronics, automotive, aeronautics and military applications. Three main categories of gyroscope technologies can be distinguished: mechanical, vibratory (MEMS) and optical. The choice of the technology category depends on the targeted application: while optical gyroscopes are very accurate, they are expensive and bulky. MEMS gyroscopes are cheap to manufacture but have limited sensitivity. The needs of emerging applications such as autonomous navigation require the development of gyroscopes that are compact, accurate, and low cost. Integrated optical gyroscopes have high potential as a solution for this type of application. The goal of this thesis was to explore the fabrication of integrated optical gyroscopes using the STMicroelectronics DAPHNE photonics platform for wide scale and low cost manufacturing. We focused on a design based on a ring resonator for which the resonance frequency varies with the rotation rate due to the Sagnac effect. However, small size and propagation losses in the waveguides make this very challenging. In particular, the lower the losses, the higher the resonance slope, and the better the sensitivity. Two types of devices were studied to increase the resonance slope: coupling the ring resonator with a Mach-Zehnder interferometer to generate Fano resonances and developing SiN half-etch horizontal slots waveguides incorporating an erbium-doped oxide layer for optical amplification to reduce effective propagation losses. We demonstrated that sensitivity was multiplied by a factor two using a Mach-Zehnder interferometer. We fabricated horizontal half-etch slots waveguides at INL and we measured losses of 4 dB/cm and ring resonators quality factors as high as 50000 on passive devices, showing the interest of using such structures. These results could be further improved by transferring all fabrication steps on STMicroelectronics platform.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