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UNIVERSITÉ DE LIMOGES
Ecole Doctorale Science, Technologie, Santé
Faculté des Sciences de Limoges
Laboratoire XLIM
N°53-2007
THESE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LIMOGES
Discipline : Electronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique
Présentée et soutenue publiquement par
David BOUYGE
le mercredi 17 octobre 2007
SYSTEMES LASERS IMPULSIONNELS COMPACTS ET
DISPOSITIFS HYPERFREQUENCES ACCORDABLES BASES SUR
L’INTEGRATION DE COMPOSANTS MEMS
Dominique CROS Professeur à l’Université de Limoges – XLIM Président
Michel GARRIGUES Directeur de Recherche CNRS – INL Rapporteur
Nathalie ROLLAND Professeur à l’Université de Lille – IEMN Rapporteur
Anne Marie GUÉ Directrice de Recherche CNRS – LAAS Examinateur
Francis PRESSECQ Ingénieur, Chef du Service Fiabilité – CNES Examinateur
Aurélian CRUNTEANU Chargé de recherches au CNRS – XLIM Examinateur
Alain BARTHELEMY Directeur de Recherches au CNRS – XLIM Examinateur
Pierre BLONDY Professeur à l’Université de Limoges – XLIM Examinateur
Olivier VENDIER Ingénieur – THALES ALENIA SPACE Invité
Vincent COUDERC Chargé de recherches au CNRS – XLIM Invité

SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE …………………………………………….1
CHAPITRE 1 : De la technologie MEMS aux lasers à fibres en régime
déclenché ………………………………………………………........................7
I. Les composants MEMS.................................................................................................. 10
I.1. Introduction................................................................................................................ 10
I.2. Technologies MEMS ................................................................................................. 13
I.2.1. Le micro-usinage en surface ................................................................................ 14
I.2.2. Le micro-usinage en volume................................................................................ 14
I.2.3. Les procédés de fabrication alternatifs................................................................. 16
I.2.4. Modes d’actionnement......................................................................................... 17
I.3. Les microcapteurs ...................................................................................................... 19
I.4. Les composants MEMS RF ....................................................................................... 22
I.5. Les BioMEMS ........................................................................................................... 27
I.6. Conclusion ................................................................................................................. 31
II. MEMS-Optiques – MOEMS : un grand potentiel de développement ..................... 33
II.1. Historique et marchés ............................................................................................... 33
II.2. Etat de l’art de la technologie MOEMS ................................................................... 34
II.2.1. Les micromiroirs mobiles.................................................................................. 35
II.2.1.1. Miroirs inclinables ou torsionnels .............................................................. 35
II.2.1.2. Miroirs mobiles........................................................................................... 35
II.2.1.3. Membranes à miroirs segmentés : .............................................................. 36
II.2.2. Les micromiroirs déformables........................................................................... 37
II.3. MOEMS pour l’affichage et la projection d’images. ............................................... 37
II.3.1. La vidéo projection et le phénomène DLP ........................................................ 38
II.3.2. L’imagerie biomédicale..................................................................................... 41
II.4. Composant MOEMS pour les télécommunications optiques................................... 43
II.5. Des composants MOEMS pour l’instrumentation astronomique du futur............... 46
II.5.1. L’optique adaptative.......................................................................................... 46
II.5.2. La spectroscopie multi-objets............................................................................ 48

II.6. Les technologies émergentes.................................................................................... 51
II.7. Lasers à MOEMS. .................................................................................................... 52
II.7.1. Lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) ............................... 52
II.7.2. Laser à fibre impulsionnel déclenché par un micromiroir inclinable................ 55
II.8. Conclusion sur la technologie MOEMS................................................................... 56
III. La théorie des lasers .................................................................................................... 58
III.1. Rappels sur les cavités lasers .................................................................................. 58
III.2. Les régimes de fonctionnement............................................................................... 59
III.2.1. Le régime de fonctionnement continu.............................................................. 59
III.2.2. Les régimes de fonctionnement impulsionnels ................................................ 60
III.2.2.1. Le fonctionnement en mode relaxé ........................................................... 60
III.2.2.2. Le fonctionnement en mode synchronisé.................................................. 61
III.2.2.3. Le fonctionnement en mode déclenché..................................................... 62
III.3. Les modulateurs actifs............................................................................................. 64
III.3.1. Dispositifs mécaniques..................................................................................... 64
III.3.2. Modulateurs électro-optiques (EOM) .............................................................. 65
III.3.3. Modulateurs acousto-optiques (AOM)............................................................. 65
III.4. Les lasers à fibre...................................................................................................... 66
III.4.1. Bref historique des lasers à fibre [115] ............................................................ 67
III.4.2. Les fibres amplificatrices ................................................................................. 67
III.4.2.1. Le dopage .................................................................................................. 68
III.4.2.2. Géométrie de fibre amplificatrice.............................................................. 68
III.4.3. Les lasers à fibre en régime Q-switch .............................................................. 70
IV. Objectif : réalisation de systèmes lasers impulsionnels déclenchés par MOEMS,
compacts et dans une architecture simplifiée .................................................................. 71
IV.1. Origine du projet ..................................................................................................... 71
IV.2. Principe de fonctionnement de la source laser déclenchée par un élément actif
MOEMS ........................................................................................................................... 72
IV.3. Caractéristiques des MOEMS pour le Déclenchement actif de système laser ....... 73
V. Conclusion...................................................................................................................... 75
Références bibliographiques du Chapitre 1…………………………………79
CHAPITRE 2 : Conception, réalisation et caractérisation de composants
MEMS………………………………………………………………………….93
I. Introduction..................................................................................................................... 95

II. Membranes déformables de type pont ........................................................................ 97
II.1. Conception électro-mécanique du micromodulateur................................................ 98
II.1.1. Bilan des forces mis en jeu lors de l’actionnement. .......................................... 99
II.1.1.1. La force électrostatique F
e
........................................................................ 100
II.1.1.2. La force de contre réaction, ou force de rappel, F
R.
.................................. 101
II.1.1.3. Le phénomène d’instabilité. ..................................................................... 102
II.1.1.4. Temps de commutation du micro-modulateur.......................................... 104
II.1.1.5. Synthèse.................................................................................................... 105
II.1.2. Dimensionnement analytique .......................................................................... 106
II.1.2.1. Limitations technologiques et optiques. ................................................... 106
II.1.2.2. Dimensionnement analytique. .................................................................. 107
II.1.2.3. Synthèse sur le choix des paramètres du commutateur ............................ 112
II.2. Réalisation et caractérisation des moems de type pont .......................................... 114
II.2.1. Procédé de fabrication initial........................................................................... 115
II.2.1.1. Préparation et nettoyage ........................................................................... 115
II.2.1.2. Evaporation des électrodes de commandes. ............................................. 115
II.2.1.3. Dépôt du diélectrique................................................................................ 117
II.2.1.4. Dépôt de la résine sacrificielle.................................................................. 118
II.2.1.5. Evaporation de la membrane métallique. ................................................. 119
II.2.1.6. Electrolyse partielle. ................................................................................. 119
II.2.1.7. Gravure Ti / Au / Ti.................................................................................. 120
II.2.1.8. Libération de la résine sacrificielle........................................................... 121
II.2.2. Analyses des difficultés rencontrées et améliorations à introduire au procédé de
fabrication................................................................................................................... 122
II.2.2.1. Mauvaise résistance à la chaleur de la résine sacrificielle........................ 123
II.2.2.2. Résine sacrificielle mal libérée................................................................. 123
II.2.2.3. De 5 à 3 niveaux de masque. .................................................................... 124
II.2.2.4. Actionnement des micro-miroirs.............................................................. 125
II.2.2.5. Synthèse de la fabrication des MOEMS de type pont.............................. 127
II.2.3. Caractérisation................................................................................................. 129
II.2.3.1. Tensions d’instabilité et fiabilité. ............................................................. 130
II.2.3.2. Rugosité de la membrane ......................................................................... 130
II.2.3.3. Profil des membranes par interférométrie optique ................................... 131
II.3. Modélisation thermo-électro-mécanique................................................................ 134
II.3.1. Comparaison entre les calculs analytiques et les simulations FEM ................ 134
II.3.1.1. Dessin de la structure................................................................................ 134
II.3.1.2. Options et contraintes appliquées............................................................. 136
II.3.1.3. Comparaison des résultats. ....................................................................... 136
II.3.2. Validation de la modélisation FEM par la mesure expérimentale................... 137
II.3.2.1. Extraction de la contrainte résiduelle. ...................................................... 137
II.3.2.2. Etude thermique........................................................................................ 139
II.3.3. Bilan et applications. ....................................................................................... 141
II.4. Bilan et perspectives sur le developpement de composants MOEMS de type pont
........................................................................................................................................ 142
III. MOEMS de type cantilever à poutre mobile incurvée........................................... 145