Caractérisation de Circuits Optiques Intégrés

Travaux Pratiques d’Optique Intégrée
Caractérisation de Circuits Optiques Intégrés
ATTENTION : SOYEZ DELICAT !! LE MATERIEL EST FRAGILE ET TOUTE
DEGRADATION ENTRAINERA UNE NOTE ELIMINATOIRE
1.
Principe de mesure :
Un signal lumineux en provenance d’une source laser est injecté dans le circuit via une fibre optique. L’injection du
signal se fait par positionnement de la sortie de la fibre optique en face du guide d’onde d’entrée intégré sur
l’échantillon test.
Le signal se propage alors à l’intérieur du circuit et en ressort par le/les guide(s) de sortie. Le signal peut alors être
récupéré par une autre fibre optique ou par une lentille qui va collimater le faisceau de sortie divergent.
Le signal est alors envoyé sur une caméra afin d’observer le profil lumineux en sortie, ce qui permet de juger de la
qualité de la répartition énergétique. Une mesure quantitative peut être effectuée en récoltant le signal de sortie sur
une photodiode de mesure.
Afin d’aligner la fibre optique, l’échantillon et l’appareil de détection, un système de micro positionnement
mécanique selon les 3 axes de translation permet le déplacement de la fibre d’injection et de la lentille de sortie.
Déplacement
XYZ
Déplacement
XYZ
Fibre optique
Laser
Détection
Circuit optique
Lentille
Schéma de principe du banc d’alignement.
2.
Présentation du banc de mesure :
On peut voir sur la photo suivante, les différentes parties constitutives du banc d’alignement.
2
1
3
1
4
1
1
5
1
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11
10
9
1
8
1
6
1
7
1
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1.
Emetteur laser.
2.
Caméra.
3.
Illumination.
4.
Source laser.
5.
Photodiode.
6.
Caméra.
7.
Carte visu.
8.
Lentille+XYZ.
9.
Support+XY.
10.
Fibre+XYZ.
11.
Fibre optique.
12.
Connecteurs.
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Nous allons détailler dans les parties suivantes les éléments constitutifs du banc, leur rôle et leur procédure
d’utilisation.
2.1. Sources Laser :
L’émetteur laser (1) contient 2 sources : une émettant dans le visible (longueur d’onde rouge) et une autre dans
l’infrarouge (longueur d’onde 1310nm).
La source de gauche est la source visible. Le mode opératoire
d’allumage et d’extinction de ces 2 sources laser est le suivant :
● Vérifier que les interrupteurs face avant sont à l’état bas et que
les potentiomètre ‘I LASER’ sont au minimum (rotation antihoraire
maximale) et que le laser que l’on souhaite activer est connecté à la
fibre optique d’injection (cf. Partie suivante : Connecteurs).
● Mise en route du boîtier par l’interrupteur face arrière.
● Mise en route de la source choisie : interrupteur Laser à ‘ON’.
● Basculer l’interrupteur I Limit et relever le courant limite
(rebasculer l’interrupteur ensuite).
● Tourner le potentiomètre pour augmenter le courant de
commande du laser sans dépasser le courant limite sinon le laser
grille !!!
La source laser (4) émet dans l’infrarouge autour de la longueur d’onde 1550nm.
Procédure :
● Allumer l’appareil grâce à l’interrupteur situé en face arrière.
● Tourner la clef pour lancer l’initialisation.
● Une fois l’initialisation terminée :
● le bouton P permet de régler la puissance émise (l’unité est choisie grâce au bouton mW/dBm).
● le bouton λ, f permet de régler la longueur d’onde (fréquence) émise.
● le réglage proprement dit s’effectue grâce à la molette de droite ou la pavé numérique.
2.2. Connecteurs :
Les fibres de sortie des lasers sont connectées à un bornier. La fibre jaune qui est reliée au banc d’alignement peut
être connectée sur le laser rouge ou le laser à 1310nm par ce bornier.
Toujours placer le bouchon sur la sortie non utilisée pour éviter que le connecteur ne se salisse et que son efficacité
en transmission soit diminuée.
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Sortie rouge
Sortie infrarouge
2.3. Système de microdéplacement fibre – circuit – lentille:
Ce système permet l’alignement fibre-circuit-lentille. Les microdéplacement de gauche sont équipés de vis de
déplacement haute précision (fraction de microns) car l’alignement fibre-guide est crucial. Ces vis sont équipées de 2
têtes, une pour le réglage grossier, l’autre pour le réglage fin.
Un système plus grossier équipe la lentille de sortie. Selon la position de la lentille, on va pouvoir orienter le faisceau
de sortie pour l’aligner avec la caméra de sortie ou la photodiode.
Loupe
binoculaire
Microdéplacement XYZ
+
support de lentille
Microdéplacement XYZ
+
support de fibre optique
Y
Z
X
Microdéplacement XY + support
d’échantillon
Le support sur lequel est fixé l’échantillon peut être ajusté en XY. Ceci est particulièrement pratique lorsque
l’alignement entier est réalisé et qu’on souhaite mesurer une autre partie de l’échantillon sans avoir à modifier tous
les réglages (déplacement en X).
Echantillon
Extrémité de la
fibre optique
Support
Une loupe binoculaire est fixée au dessus de l’échantillon afin de pouvoir juger de l’alignement fibre-guide en visuel.
2.4. Caméras :
2 caméras sont utilisées : une pour observer le signal de sortie, l’autre pour visualiser la surface de l’échantillon.
2.4.1.
Vidicon large bande + Contrôleur :
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La caméra Hamamatsu est une caméra vidicon qui peut voir l’ultraviolet, le visible et l’infrarouge. Elle observe le
signal en sortie du circuit via la lentille de collimation. Cette caméra est pilotée par le contrôleur associé ci-dessous.
Réglages caméra
Ce contrôleur dispose de 3 réglages principaux :
o
o
o
Sensitivity : tous les autres réglages doivent être à zéro. La sensibilité est réglée en première de façon à avoir
une image suffisamment visible sans trop de parasites.
Offset : ce réglage est ensuite utilisé pour supprimer les effets parasites encore présents. Un équilibre est à
trouver entre ce réglage et le précédent.
Gain : une fois les 2 réglages précédents optimisés, celui-ci sert à rajouter de la luminosité pour améliorer le
contraste final.
L’écran situé au-dessus du contrôleur permet une visualisation directe. L’image est acquise par le PC et accessible
via le logiciel STUDIO 9 en raccourci sur le bureau.
2.4.2.
Caméra de binoculaire :
Cette caméra sert à visualiser l’alignement fibre
– circuit.
Elle est fixée sur la loupe binoculaire afin
d’éviter à l’utilisateur une observation directe et
de subir des réflexions laser.
L’image acquise par l’ordinateur est accessible
via le logiciel MOTIC en raccourci sur le
bureau.
2.5. Illumination :
Une lampe couplée à des fibres optiques permet d’illuminer la surface de l’échantillon afin d’en visualiser les détails
avec la loupe binoculaire.
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Vérifier que le potentiomètre d’intensité est à zéro. Allumer l’appareil face avant. Régler l’intensité lumineuse avec
le potentiomètre.
Diminuer l’intensité à zéro puis éteindre l’appareil.
2.6. Carte visu :
Cette carte de visualisation est recouverte d’un revêtement (en rose) dont le matériau est
luminescent lorsqu’il est exposé à une radiation infrarouge.
Elle vous permettra de localiser le faisceau une fois que vous travaillerez dans l’infrarouge.
2.7. Photodiode :
Elle sert à mesurer la puissance optique. L’énergie optique est transformée en énergie électrique et un ampèremètre
permet d’en lire le courant. La photodiode permet une analyse quantitative du signal de sortie.
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3.
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Technique d’alignement :
3.1. Réglage de la distance fibre d’injection/échantillon :
L’échantillon doit être correctement positionné afin que son bord soit parallèle au bord de l’extrémité (la férule) de la
fibre d’injection.
Grâce au déplacement Z correspondant, approcher la fibre jusqu’à être en quasi contact avec l’échantillon. Pour cela
observer le bord d’échantillon grâce à la caméra (2).
3.2. Réglage de hauteur :
Le signal visible sortant de la fibre optique, régler la fibre optique en élévation (Y) de façon à ce que la lumière passe
au dessus de l’échantillon. Un écran (un feuille de papier par exemple) permet d’observer la lumière en sortie de la
lentille.
Descendre ensuite la fibre. Lorsqu’on se rapproche du bord d’échantillon, la diffraction sur le bord doit faire
apparaître un motif de diffraction (une succession de ligne parallèles). Plus on se rapproche de l’échantillon plus les
lignes se séparent jusqu’à toutes dispraître.
Le réglage doit alors permettre d’injecter la lumière dans la couche où le circuit est inscrit. Le but est d’affiner le
réglage pour observer la lumière guidée par la couche : une ligne lumineuse horizontale. Attention, il faut régler la
distance focale (en Z) de la lentille pour observer une image correcte de la couche illuminée.
Ce réglage est très délicat. N’hésitez pas à appeler l’encadrant en cas de difficultés.
3.3. Alignement latéral sur un guide d’entrée :
Il ne reste plus qu’à se positionner, à l’aide de l’observation de la caméra (2), en face d’un guide et repérer les
signaux de sorties sur la caméra (1) ou sur la photodiode.
4.
Manipulations :
4.1. Guide droit :
● Mesurer la puissance en sortie de fibre. Vous aurez peut-être besoin de rapprocher la fibre de la lentille de sortie
pour pouvoir focaliser correctement sur la photodiode.
● Insérez l’échantillon sur le support. Coupler la puissance sur la photodiode et mesurer. En déduire les pertes totales
dues au guide droit. Quelles sont les causes de ces pertes ?
4.2. Diviseur de puissance en Y :
● Observer à la caméra la division du signal par 4.
● Mesurer la puissance sur chacune des sorties et juger de l’homogénéité de division.
● Quelles sont les pertes totales ? Conclusion.
4.3. Coupleur directionnel :
● Observer la sortie du coupleur directionnel à la caméra pour les 3 longueurs d’onde disponibles. Conclusion.
● Utiliser la source accordable autour de 1550nm. Mesurer la puissance et tracer le graphe de puissance d’une sortie
en fonction de la longueur d’onde. Expliquez.
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