This thesis treats the development of packaging and integration methods for the cost-efficient encapsulation and packaging of microelectromechanical (MEMS) devices. The packaging of MEMS devices is often more costly than the device itself, partly because the packaging can be crucial for the performance of the device. For devices which contain liquids or needs to be enclosed in a vacuum, the packaging can account for up to 80% of the total cost of the device. The first part of this thesis presents the integration scheme for an optical dye thin film NO2-gas sensor, designed using cost-efficient implementations of wafer-scale methods. This work includes design and fabrication of photonic subcomponents in addition to the main effort of integration and packaging of the dye-film. A specific proof of concept target was for NO2 monitoring in a car tunnel. The second part of this thesis deals with the wafer-scale packaging methods developed for the sensing device. The developed packaging method, based on low-temperature plastic deformation of gold sealing structures, is further demonstrated as a generic method for other hermetic liquid and vacuum packaging applications. In the developed packaging methods, the mechanically squeezed gold sealing material is both electroplated microstruc- tures and wire bonded stud bumps. The electroplated rings act like a more hermetic version of rubber sealing rings while compressed in conjunction with a cavity forming wafer bonding process. The stud bump sealing processes is on the other hand applied on completed cavities with narrow access ports, to seal either a vacuum or liquid inside the cavities at room temperature. Additionally, the resulting hermeticity of primarily the vacuum sealing methods is thoroughly investigated. Two of the sealing methods presented require permanent mechanical fixation in order to complete the packaging process. Two solutions to this problem are presented in this thesis. First, a more traditional wafer bonding method using tin-soldering is demonstrated. Second, a novel full-wafer epoxy underfill-process using a microfluidic distribution network is demonstrated using a room temperature process. / <p>QC 20130325</p>

Noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectro-metry (NICE-OHMS) is one of the most sensitive laser-based absorption techniques. The high sensitivity of NICE-OHMS is obtained by a unique combination of cavity enhancement (for increased interaction length with a sample) with frequency modulation spectrometry (for reduction of noise). Moreover, sub-Doppler detection is possible due to the presence of high intensity counter-propagating waves inside an external resonator, which provides an excellent spectral selectivity. The high sensitivity and selectivity make NICE-OHMS particularly suitable for trace gas detection. Despite this, the technique has so far not been often used for practical applications due to its technical complexity, originating primarily from the requirement of an active stabilization of the laser frequency to a cavity mode. The main aim of the work presented in this thesis has been to develop a simpler and more robust NICE-OHMS instrumentation without compro-mising the high sensitivity and selectivity of the technique. A compact NICE-OHMS setup based on a fiber laser and a fiber-coupled electro-optic modulator has been constructed. The main advantage of the fiber laser is its narrow free-running linewidth, which significantly simplifies the frequency stabilization procedure. It has been demonstrated, using acetylene and carbon dioxide as pilot species, that the system is capable of detecting relative absorption down to 3 × 10-9 on a Doppler-broadened transition, and sub-Doppler optical phase shift down to 1.6 × 10-10, the latter corresponding to a detection limit of 1 × 10-12 atm of C2H2. Moreover, the potential of dual frequency modulation dispersion spectrometry (DFM-DS), an integral part of NICE-OHMS, for concentration measurements has been assessed. This thesis contributes also to the theoretical description of Doppler-broadened and sub-Doppler NICE-OHMS signals, as well as DFM-DS signals. It has been shown that the concentration of an analyte can be deduced from a Doppler-broadened NICE-OHMS signal detected at an arbitrary and unknown detection phase, provided that a fit of the theoretical lineshape to the experimental data is performed. The influence of optical saturation on Doppler-broadened NICE-OHMS signals has been described theoretically and demonstrated experimentally. In particular, it has been shown that the Doppler-broadened dispersion signal is unaffected by optical saturation in the Doppler limit. An expression for the sub-Doppler optical phase shift, valid for high degrees of saturation, has been derived and verified experimentally up to degrees of saturation of 100.

Le détecteur Virgo est constitué d'un interféromètre de Michelson avec des cavités Fabry-Perot de 3 km de long dans les bras et utilise la technique du recyclage de la puissance. Il a pour but la détection directe des ondes gravitationnelles émises par des sources astrophysiques. Le système d'injection Virgo est constitué essentiellement d'une cavité triangulaire de 144 m appelée le mode cleaner, son rôle est de filtrer et de contrôler le faisceau d'entrée. Le miroir suspendu de la cavité est très léger (360 g) ce qui peut le rendre sensible à la pression des photons. J'ai développé des programmes de simulations pour une cavité triangulaire avec tous les contrôles identiques au mode cleaner de Virgo réel. Ces programmes peuvent être utilisés pour d'autres études. Une partie de la thèse est consacrée à<br />voir les effets de la pression de radiation sur le verrouillage longitudinal de la cavité, les effets du ressort optique angulaire etc. Dans une autre partie de la thèse j'observe les effets de la pression de radiation dans les bras de Virgo et l'existence des effets du ressort optique sur les degrés angulaires qui n'empêchent pas le bon fonctionnement de l'alignement. Enfin, je décris ma participation dans la recette de Virgo, qui consiste essentiellement à travailler sur les contrôles du système d'injection et leurs optimisations.

Ce manuscrit est consacré à la réalisation et à l'étude d'un composant à base d'absorbants saturables (AS) sur InP pour la remise en forme de signaux optiques à très hauts-débits. Le fonctionnement de ce composant tout-optique et passif est basé sur la non-linéarité d'absorption de puits quantiques (PQ) insérés dans une microcavité Fabry-Perot. Outre son insensibilité à la polarisation et son temps de réponse compatible avec les futurs signaux à hauts-débits, le composant AS présente aussi une large bande passante (BP) lui permettant de traiter plusieurs longueurs d'onde simultanément, faisant de lui un bon candidat pour les futurs dispositifs de régénération tout-optique à faible coût pour les liaisons à hauts-débits multiplexés en longueur d'onde (WDM).<br />Grâce à une structure optimisée, nous avons pu obtenir un composant avec un temps de réponse aussi court que la picoseconde et une fluence de saturation de seulement quelques µJ/cm2. Les résultats expérimentaux ont permis de valider le modèle de l'autosaturation des PQ en microcavité développé lors de cette thèse, ainsi que celui décrivant le fonctionnement du composant AS à hauts-débits et tenant compte des effets-thermique.<br />Grâce à son optimisation et à une meilleure gestion des effets thermo-optiques, nous avons pu démontrer pour la 1iére fois l'amélioration du taux d'extinction de signaux à 160 GHz (+6 dB sur une BP de 8 nm) et la remise en forme à 160 Gbits/s par un composant AS. Enfin, des résultats de régénération 2R en boucle de recirculation à 10 Gbits/s et à 43 Gbits/s sont aussi présentés et montrent une amélioration de la distance de propagation de 9,5 (sur 13 nm) et de 6 respectivement.

Dans cette thèse, nous initions la démonstration, à échelle réduite, de la faisabilité du photodétachement presque total, par laser, d'un jet d'ions négatifs d'hydrogène en cavité optique Fabry-Perot pour les futurs injecteurs de neutres destinés au chauffage des plasmas des réacteurs de fusion nucléaire.Nous élaborons une nouvelle méthode de mesure d'une section efficace de photodétachement, dont la connaissance à la longueur d'onde d'excitation est requise pour le dimensionnement de la cavité Fabry-Perot, basée sur l'observation de la saturation en régime d'éclairement impulsionnel. Le calcul analytique de l'accroissement du signal de détachement produit lors de l'éclairement d'un jet d'ions par une impulsion laser supposée gaussienne, fait apparaître une contrainte mathématique sur le flux requis pour transiter vers le régime saturé. Cette contrainte est une caractéristique de la transition vers la saturation pour toutes les expériences réalisées en faisceau gaussien et pour tous les processus d'interaction lumière-matière linéaires. Avec cette méthode, nous déduisons une section efficace de photodétachement de H- à 1064 nm - longueur d'onde sélectionnée pour les futurs injecteurs de neutres - en léger désaccord avec les prédictions théoriques.Pour réduire les exigences technologiques sur la cavité et le laser, nous étudions les résonances de Landau qui apparaissent dans le spectre de photodétachement en champ magnétique. S'asservir sur l'une de ces résonances permettrait d'augmenter la probabilité de photodétachement à un flux donné.Par ailleurs, nous présentons nos mesures des affinités électroniques du phosphore, du sélénium et de l'étain, réalisées avec le microscope de photodétachement. L'expérience de microscopie de photodétachement du phosphore est la première où l'atome neutre est laissé dans un terme excité.

L'imagerie hyperspectrale, qui consiste à acquérir l'image d'une scène dans un grand nombre de bandes spectrales, permet de détecter des cibles là où l'imagerie couleur classique ne permettrait pas de conclure. Les imageurs hyperspectraux à acquisition séquentielle sont inadaptés aux applications de détection en temps réel. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser un imageur multispectral snapshot, capable d'acquérir simultanément un nombre réduit de bandes spectrales sur un unique détecteur matriciel. Le capteur offrant un nombre de pixels limité, il est nécessaire de réaliser un compromis en choisissant soigneusement le nombre et les profils spectraux des filtres de l'imageur afin d'optimiser la performance de détection. Dans cet objectif, nous avons développé une méthode de sélection de bandes qui peut être utilisée dans la conception d'imageurs multispectraux basés sur une matrice de filtres fixes ou accordables. Nous montrons, à partir d'images hyperspectrales issues de différentes campagnes de mesure, que la sélection des bandes spectrales à acquérir peut conduire à des imageurs multispectraux capables de détecter des cibles ou des anomalies avec une efficacité de détection proche de celle obtenue avec une résolution hyperspectrale. Nous développons conjointement un démonstrateur constitué d'une matrice de 4 filtres de Fabry-Perot accordables électroniquement en vue de son implantation sur un imageur multispectral snapshot agile. Ces filtres sont développés en technologie MOEMS (microsystèmes opto-électro-mécaniques) en partenariat avec l'Institut d'Electronique Fondamentale. Nous présentons le dimensionnement optique du dispositif ainsi qu'une étude de tolérancement qui a permis de valider sa faisabilité.

This research work has been conducted to introduce a novel class of Fabry-Perot (FP) resonators : curved FP cavity based on coating-free Bragg mirrors of cylindrical shape, obtained by silicon micromachining. Another specificity is the rather large cavity lengths (L>200 µm) combined with high quality factor Q (up to 104), for the purpose of applications requiring cavity enhanced absorption spectroscopy, in which the product Q.L is a figure of merit. In this contest, the basic architecture has been modeled analytically to know the high order transverse modes supported by such cavities. Hence, the experimental conditions which lead to preferential excitation (or rejection) of these modes have been tested experimentally leading to the validation of our theoretical model and to a better understanding of the cavity behaviour. A second architecture, based on the curved FP together with a fiber rod lens has been developed for the purpose of providing stable designs. It was also modeled, fabricated and characterized leading to the expected performance improvements. On another side, a highlight on one of the potential applications that we identified for the curved cavities is presented by inserting the cavity into an electro-mechanical system. It consists of exciting and measuring tiny vibration through opto-mechanical coupling in a MEMS mechanical resonator embedding an FP cavity.Finally, as a complement to our study on resonators, we started exploring applications of optical interferometers based on similar micromachined silicon Bragg mirrors. For this purpose, an optical measurement microsystem was designed, fabricated and characterized ; it consists of an optical probe for surface profilometry in confined environments, based on an all-silicon Michelson interferometer

Gravitational waves have been predicted by Einstein in his General Relativity theory. Theyare perturbation of the space-time metric and we try to reveal them by laser interferometry. More precisely,gravitational wave detectors are km long Michelson interferometers combined with Fabry-Perot cavities.The network of first generation detectors (Virgo, LIGO, GEO) did not permit a direct detection afterseveral observational runs in coincidence at the nominal sensitivity. A second generation of detectors is inpreparation with in particular the European project Advanced Virgo. This detector should have a sensitivityincreased by an order of magnitude compared to Virgo. The interferometer mirrors play a crucial role inthe Advanced Virgo sensitivity as it is limited by the mirror thermal noise in the mid-frequency regionand by the amount of photons collected in the interferometer cavities at high frequencies. The high powercirculating in the Fabry-Perot cavities induces important thermal lensing effect. This thesis is interestedfirst in the thermal lensing effect in the interferometer for different optical configurations. Then we areinterested in the mirrors composing the Fabry-Perot arm cavity from the calculation of the requirements interms of flatness to the realization of the mirrors flatness and its measurement. The mirror flatness shouldbe sub-nanometric in order to limit the optical losses in the Fabry-Perot cavities to reduce the effect of theshot noise and of the diffused light. We will see the correction of the substrates flatness by the so-calledcorrective coating technique. Finally, we study the uniformity of the dielectric multilayer coating depositionnecessary to obtained high-reflective mirrors. We study in particular the planetary motion of the substratesin the coating machine.

Fibre-optic sensors have been the focus of a lot of research, but their associated high cost has stifled their transferral from the laboratory to real world applications. This thesis addresses the issue of multiplexing, a technology that would lower the cost per unit sensor of a sensor system dramatically. An overview of the current state of research of, and the principles behind, multiplexed sensor networks is given. A new scheme of multiplexing, designated W*DM, is developed and implemented for a fibre Bragg grating (FBG) optical fibre sensor network. Using harmonic analysis, multiplexing is performed in the domain dual to that of the wavelength domain of a sensor. This scheme for multiplexing is compatible with the most commonly used existing schemes of WDM and TDM and thus offers an expansion over, and a resultant cost decrease from, the sensor systems currently in use. This research covered a theoretical development of the scheme, a proof of principle, simulated and experimental analysis of the performance of the multiplexed system, investigation into sensor design requirements and related issues, fabrication of the sensors according to the requirements of the scheme and the successful multiplexing of eight devices (thus offering an eightfold increase over current network capacities) using this scheme. Extensions of this scheme to other fibre sensors such as Long Period Gratings (LPGs) and blazed gratings were also investigated. Two LPGs having a moir?? structure were successfully multiplexed and it was shown that a blazed Fabry Perot grating could be used as a tuneable dual strain/refractive index sensor. In performing these tests, it was discovered that moir?? LPGs exhibited a unique thermal switching behaviour, hereto unseen. Finally the application of fibre sensors to the civil engineering field was investigated. The skill of embedding optical fibre in concrete was painstakingly developed and the thermal properties of concrete were investigated using these sensors. Field tests for the structural health monitoring of a road bridge made from a novel concrete material were performed. The phenomenon of shrinkage, creep and cracking in concrete was investigated showing the potential for optical fibre sensors to be used as a viable research tool for the civil engineer.

Bibliography: leaves 140-151 / 151, [2] leaves : ill ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, Mawson Institute, 1989