Microtechnologie optoélectronique incluant des matériaux

Nod’ordre: 2010telb0114
THÈSE DE DOCTORAT
Mention: Sciences pour l’ingénieur
Présentée à
Télécom Bretagne
en habilitation conjointe avec l’Université de Bretagne Sud,
sous le sceau de l’Université Européenne de Bretagne,
par
Olivier CASTANY
Microtechnologie optoélectronique incluant des
matériaux mésomorphes
Soutenue le 14 septembre 2010
Composition du jury :
Président : Yves Grohens, Professeur, Université de Bretagne-Sud
Rapporteurs : Véronique Bardinal-Delagnes, CR-CNRS, LAAS-CNRS
Philippe Martinot-Lagarde, Professeur, Université Paris-Sud
Examinateurs : Sophie Bouchoule, CR-CNRS, LPN-CNRS
Laurent Dupont, Professeur, Telecom Bretagne
Invité : Christophe Levallois, Maître de Conférences, INSA de Rennes
Directeur de thèse : Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye, Professeur, Telecom Bretagne

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Table des matières
Résumé v
1 Introduction 1
1.1 Communications par fibres optiques ...................... 1
1.2 Lasers accordables à bas coût pour les communications optiques ...... 4
1.3 Filtres accordables à bas coût pour les communications optiques ...... 5
1.4 Objectifs et déroulement de la thèse ...................... 7
2 Matériaux et techniques 11
2.1 Cristaux liquides ................................ 11
2.2 Alignement des cristaux liquides ........................ 15
2.2.1 Alignement par brossage ........................ 15
2.2.2 Photoalignement ............................ 16
2.3 Cristaux liquides polymérisables ........................ 23
2.4 Fluide pour déposer des espaceurs ....................... 26
2.5 Adhésifs optiques ................................ 30
2.6 Photolithographie ................................ 31
2.7 Résines positives diazonaphtoquinone-novolac ................ 33
2.8 Discussion .................................... 35
3 Microtechnologie pour fabriquer des puces laser accordables incluant
une couche de PDLC intra-cavité 37
3.1 Matériaux PDLC pour les cavités optiques .................. 37
3.1.1 Présentation des matériaux PDLC .................. 37
3.1.2 Mesure des pertes du matériau .................... 38
3.1.3 Mesure de la variation d’indice .................... 41
3.2 Structure laser ................................. 45
3.3 Dépôt du PDLC ................................ 48
3.4 Matériaux antiadhésifs ............................. 50
3.5 Problèmes rencontrés .............................. 54
3.5.1 Dégorgement du PDLC ......................... 54
3.5.2 Dépôt du miroir de Bragg ....................... 54
3.5.3 Capot de protection .......................... 56
3.6 Transfert du miroir de Bragg par collage ................... 57
3.7 Discussion .................................... 65
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iv Table des matières
4 Micro-cellules pour fabriquer des puces laser accordables incluant une
couche de cristal liquide nématique intra-cavité 67
4.1 Cristal liquide nématique pour un laser accordable .............. 67
4.2 Micro-cellules pour les cristaux liquides ou d’autres fluides ......... 70
4.3 Résine SU-8 pour la construction de micro-cellules .............. 73
4.4 Polymères conducteurs ............................. 76
4.5 Fabrication de micro-cellules pour cristal liquide nématique ......... 79
4.6 Caractérisation des micro-cellules fabriquées ................. 80
4.7 Processus de fabrication sur topographie imparfaite ............. 82
4.8 Films souples pour la photolithographie .................... 84
4.9 Fabrication de micro-cellules à l’aide d’un tampon souple .......... 85
4.10 Discussion .................................... 92
5 Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques et de sépara-
teurs de polarisation 95
5.1 Structuration des cristaux liquides polymérisés ................ 95
5.2 Propriétés optiques des cristaux liquides polymérisés en phase anisotrope
et en phase isotrope ............................... 96
5.3 Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques et de coupleurs
séparateurs de polarisation à base de cristaux liquides polymérisables . . . 98
5.4 Fabrication de zones isotropes et anisotropes par structuration thermique
d’un cristal liquide polymérisable ....................... 99
5.5 Structuration sur la gaine optique .......................101
5.5.1 Polymères pour la gaine optique ....................101
5.5.2 Alignement sur la gaine optique ....................103
5.6 Fabrication de guides optiques .........................105
5.6.1 Choix du substrat ............................105
5.6.2 Masques pour le processus .......................105
5.6.3 Structuration des zones anisotropes et isotropes ...........106
5.6.4 Gravure des guides ...........................108
5.7 Discussion ....................................109
Conclusion 111
Bibliographie 113

Résumé
L’augmentation des débits de communication sur le réseau Internet est une tendance
de fond qui est rendue possible par le déploiement d’un réseau d’accès en fibre optique
(FTTH, Fiber To The Home). Ce réseau d’accès optique de première génération utilise
l’architecture PON (Passive Optical Network) mais à moyen terme, l’augmentation des
débits nécessitera le passage vers une architecture WDM (Wavelength Division Multi-
plexing). Dans cette optique, on cherche à concevoir des composants accordables à faible
coût. Mon travail contribue à la conception d’une source laser accordable et d’un filtre
accordable. Le premier objectif est une source laser VCSEL accordable grâce à une couche
de cristal liquide intra-cavité. J’ai développé des procédés de microtechnologie permettant
de placer le cristal liquide au niveau des puces laser. Le deuxième objectif est un filtre en
guide d’onde où les polarisations TE et TM sont séparées grâce à un coupleur anisotrope
pour être ensuite filtrées indépendamment dans deux anneaux résonants à commande
électro-thermique.
Summary
The increase of the communication data rate over the Internet is possible due to
the deployment of a fiber optic access network (FTTH, Fiber To The Home). This first
generation optic access network uses a PON (Passive Optical Network) architecture but a
further increase in the data rate will require an evolution to a WDM (Wavelength Division
Multiplexing) architecture. With this perspective, it is necessary to design low cost tunable
components. My work is a contribution to the conception and fabrication of a tunable
laser and a tunable filter. The first goal is a VCSEL in which tunability is obtained with
an intra-cavity liquid crystal layer. I developed microtechnology processes which make it
possible to confine liquid crystal on laser chips. The second goal is a waveguide filter where
TE and TM polarizations are separated with an anisotropic coupler and independently
filtered in two ring resonators with electro-thermal command.
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