Ultra-high accuracy robotic nanopositioning strategies for 3D hybrid photonic integrated circuits
Stratégies de nanopositionnement robotique à ultra-haute précision pour les circuitsintégrés photoniques hybride 3D
Résumé
Miniaturized 3D hybrid photonic architectures allow low power consumption at a reasonable cost for high-speed communication, sensors, and signal processing. However, fabrication of these components and 3D architectures poses challenges due to scale effects limiting the automation of the micro-components micromanipulation and their assembly. Intermolecular forces further complicate matters, with increased adhesion making the coupling at nanometer distances difficult.Lithium niobate (LN) is a promising material for photonic applications, especially in high-speed applications. This thesis focuses on expanding the capabilities of LN by exploring new 3D architectures for sensing applications. The study presents fabrication procedures for microdisks and electro-optic waveguides in LN, two key components for biosensors and optical gyroscopes. Additionally, ultra-high accuracy nanorobotic positioning strategies are proposed for manipulation and assembly, including a static mode Atomic Force Microscopy (AFM) for studying intermolecular forces during microdisk and waveguide interaction. Indeed, it is noted that the pull-in force occurs during a duration of <10 ms. This sudden switch between no contact to contact makes it complicated to control the relative position of components in the Z-axis in the sub-100 nm. Therefore, another strategy based on dynamic mode AFM using the Akiyama probe is proposed, with an adaptive algorithm and models based on its dynamic behavior. This enables the development of a strategy for ultra-high accuracy nano-robotic positioning of components in the Z-axis with a precision of <2 nm based on the attractive intermolecular forces.
Les architectures photoniques hybrides 3D miniaturisées permettent une faible consommation d'énergie à un coût raisonnable pour les communications à haut débit, les capteurs et le traitement du signal. Cependant, la fabrication de ces composants et leur assemblage en architectures 3D pose des défis en raison des effets d'échelle limitant l'automatisation de la micromanipulation des microcomposants et de leur alignement. Les forces intermoléculaires compliquent encore les choses, les forces d'adhésion rendant difficile le couplage à des distances nanométriques.Le niobate de lithium (LN) est un matériau prometteur pour les applications photoniques, en particulier pour les applications à hauts débits. Cette thèse se concentre sur l'exploitation des capacités du LN en explorant de nouvelles architectures 3D pour des applications de détection. L'étude présente des procédures de fabrication de microdisques et de guides d'ondes électro-optiques en LN, deux composants clés pour les biocapteurs et les gyroscopes optiques. De plus, des stratégies de positionnement nanorobotique de très haute précision sont proposées pour la manipulation et l'assemblage, y compris un microscope à force atomique (AFM) en mode statique pour étudier les forces intermoléculaires pendant l'interaction entre les microdisques et les guides d'ondes. En effet, on constate que la force d'arrachement se produit pendant une durée de <10 ms. Ce passage soudain de l'absence de contact au contact rend compliqué le contrôle de la position relative des composants dans l'axe Z dans le sub-100 nm. Par conséquent, une autre stratégie basée sur l'AFM en mode dynamique utilisant la sonde Akiyama est proposée, avec un algorithme adaptatif et des modèles basés sur son comportement dynamique. Cela permet de développer une stratégie pour le positionnement nano-robotique ultra-haute précision de composants dans l'axe Z avec une précision de <2 nm basée sur les forces intermoléculaires attractives.
Origine : Version validée par le jury (STAR)