Conception et caractérisation de Filtres optiques et de

Chapitre I MOEMS POUR LES TELECOMs
Depuis quelques années, il est généralement admis que le silicium continuera de dominer le
marché des matériaux semiconducteurs en confinant les matériaux tels que le GaAs, l’InP et
leurs alliages ternaires et quaternaires à des niches bien spécifiques. Malgré leurs potentiels, les
matériaux III-V ont été longtemps limités par la mauvaise qualité des procédés de synthèse et
purification. Au début des années 1970, le développement rapide des techniques de croissance
épitaxiale, micro et nano technologies, et leur association, ont ouvert une nouvelle ère où les
hétérostructures semiconductrices et les objets de faible dimension sont épitaxiés avec un
contrôle atomique de la composition et du dopage. La fonctionnalisation des propriétés
électroniques et optiques par la croissance de matériaux multicouches a permis non seulement
d’améliorer les composants électroniques et optoélectroniques, mais aussi d’envisager
l’intégration des systèmes micro optoélectromécanique (MOEMS) pour la fabrication de
composants innovants.

Chap. I MOEMS pour les Télécoms
©Aldrice G. Bakouboula
4
Chapitre I MOEMS POUR LES TELECOMs .................................................................... 3
I-1 Introduction .................................................................................................................... 5
I-2 Contexte de l’étude.........................................................................................................5
I-2.1 Le besoin en canaux ITU ........................................................................................... 5
I-2.2 Désengorgement par le multiplexage en longueur d’onde......................................... 6
I-2.3 Positionnement de l’étude .......................................................................................... 7
I-3 Composants MOEMS .................................................................................................... 8
I-3.1 Généralité: principe, intérêt........................................................................................ 8
I-3.2 L’intérêt de l’actuation ............................................................................................... 9
I-3.3 Adéquation des MOEMS avec le marché .................................................................. 9
I-3.4 Défis technologiques ................................................................................................ 10
I-4 Filtres............................................................................................................................ 11
I-4.1 Résonateur Fabry-Pérot............................................................................................ 11
I-4.2 Etat de l’art sur les filtres accordables ..................................................................... 11
I-5 Laser à cavité Verticale émettant par la surface pour les transmissions longues
distances ....................................................................................................................... 14
I-5.1 Structures VCSELs solides ...................................................................................... 15
I-5.2 Etat de l’art des VCSELs accordables émettant à 1,55 µm...................................... 17
I-6 Microtechnologies utilisées pour les composants accordables .................................... 21
I-6.1 La gravure Verticale................................................................................................. 21
I-6.2 La gravure latérale.................................................................................................... 22
I-6.3 Séchage des microstructures : séchage supercritique............................................... 23
I-7 Conclusion.................................................................................................................... 25
I-8 Bibliographie du chapitre MOEMS pour les Télécoms ............................................... 26

Chap. I MOEMS pour les Télécoms
©Aldrice G. Bakouboula
5
I-1 Introduction
Les besoins de futurs systèmes de télécommunication en bande passante, et en
particulier des réseaux de transmissions optiques, requièrent l’adoption de solutions
innovantes et originales qui tirent avantage des récentes avancées dans les technologies
optiques. La croissance rapide des systèmes multiplexés en longueur d’onde (de l’anglais
WDM, wavelength division multiplexing) et la forte demande en terme de taux de
transmission rendent nécessaire le développement de composants monolithiques à haut taux
d’intégration et de reconfiguration, capable d’émettre, d’aiguiller et d’insérer un signal d’un
canal vers un autre, d’accorder et d’ajuster le signal de sortie. Les technologies des systèmes
micro opto électromécaniques (de l’anglais MOEMS, micro opto electro mechanical systems)
sont potentiellement susceptibles d’améliorer la flexibilité et les performances de
l’architecture de réseaux « tout optique »
[1]
.
I-2 Contexte de l’étude
I-2.1 Le besoin en canaux ITU
Aujourd’hui, l’accroissement en volume des données échangées contraint les
équipementiers et les opérateurs de télécommunications à chercher des solutions pour abaisser
le coût des services et des équipements déjà déployés, tout en améliorant leur capacité en
bande passante et la flexibilité des architectures réseaux. L’objectif visé est d’intégrer à
moindre coût de nouvelles applications et services pour ainsi anticiper leur future évolution.
L’explosion du trafic aux nœuds des réseaux métropolitains qui, sur des distances de
l’ordre de la centaine de kilomètres, connectant les utilisateurs vers d’immenses réseaux
publics rapproche le goulot d’étranglement de l’abonné. Les difficultés soulevées pour la
gestion de tels trafics se concentrent essentiellement sur la variété des services et la diversité
des clients.
Avec l’amélioration de la vitesse de transmission et la complexité accrue des réseaux,
les opérateurs sont appelés non seulement à améliorer la qualité de l’offre de service, mais
aussi, à délivrer de nouveaux types de services à haut débit vers les sites clients. L’enjeu est
de trouver des solutions à moindre coût aux demandes sans cesse croissantes et variées de
divers clients à travers des points d’accès localisés dans les entreprises, les universités, et les
foyers.
La solution réseau choisie est l’intégration multiservice où les données, la voix, et les
images sont transmises par fibre optique respectivement grâce aux les protocoles IP/SONET
(de l’anglais, Internet Protocol/Synchronous Optical Network), ADSL (de l’anglais,
Asynchronous Digital Subscriber Line), ATM (de l’anglais, Asynchronous Transfer Mode), et
SDH (de l’anglais, Synchronous Digital Hierarchy). L’une des technologies au cœur de cette
explosion de la bande passante est le multiplexage en longueur d’onde, le WDM. La solution
multiservice met en œuvre des techniques de multiplexage en longueur d’onde
[2]
, WDM (cf.
Figure I-1). Compte tenu de la demande client, les composants pour le multiplexage en

Chap. I MOEMS pour les Télécoms
©Aldrice G. Bakouboula
6
longueur d’onde employant des technologies de fabrication collective à bas coûts sont
extrêmement attractifs pour la réduction des coûts d’installation des réseaux d’accès et
d’investissement dans les réseaux optiques métropolitains MAN (en anglais Metropolitan
Area Network), LAN (en anglais Local Area Network), et longues distances (en anglais Long
Haul).
Figure I-1 : Exemple d’intégration multiservice sur une plateforme WDM
1
.
I-2.2 Désengorgement par le multiplexage en
longueur d’onde
La technologie WDM permet d’absorber la croissance du trafic et de déployer
rapidement et aisément de nouveaux services en utilisant la capacité des infrastructures
réseaux déjà en place. Cette technologie propose d’injecter plusieurs longueurs d’onde dans
une même fibre chacune étant la porteuse d’un signal modulé (cf. Figure I-2).
Figure I-2 : Principe d’une liaison WDM/DWDM.
De plus, la flexibilité des systèmes d’insertion, de prélèvement, et d’émission, peut
adresser un canal donné vers une ligne optique. Un système d’architecture ouverte ou
1 http://www.cisco.fr symposium cisco 2003 “Infrastructures Metro Optiques’’

Chap. I MOEMS pour les Télécoms
©Aldrice G. Bakouboula
7
multiservice permet ainsi à une variété de composants tels que les terminaux SONETs, les
aiguilleurs ATMs, et les routeurs IPs d’être connectés.
I-2.3 Positionnement de l’étude
Le besoin d’accroître le débit des autoroutes de l’information est devenu un enjeu
stratégique avec l’explosion du trafic de données multimédias par le biais de l’Internet. Ainsi,
la pénétration de l’Internet dans l’activité économique et l’arrivée massive du tout numérique
dans les foyers ont placé ce besoin en bande passante au cœur des politiques d’expansion. La
solution offrant le meilleur compromis entre la minimisation des coûts d’investissement et
l’interopérabilité des systèmes est le multiplexage. L’enjeu d’importance consiste à produire
et mettre sur le marché des composants agiles et fonctionnant autour de 1,55 µm capables
d’émettre, de détecter, d’aiguiller, de régénérer, d’insérer ou de prélever le signal à des débits
de plus en plus élevés sur un espacement entre canal de plus en plus réduit, 100 GHz (0,8 nm),
50 GHz (0,4 nm) et dans un avenir plus lointain 25 GHz (0,2 nm).
L’intégration des microsystèmes sur ces composants apporte l’agilité recherchée qui,
par un processus électromécanique, permet de moduler en 1 µs et sur une large gamme, la
fonction optique. Ce type de composants est bel et bien en train de transformer les réseaux
optiques. Dans ce cadre, il s’agit de remplacer, sur les composants à base de résonateur Fabry-
Pérot, les miroirs de Bragg massifs par des miroirs micro-usinés composés d’Air et de
semiconducteur.
L’intérêt est double : une réduction du nombre de couches empilés nécessaires à
l’obtention d’un miroir hautement réflecteur, et une intégration d’éléments déformables et
mobiles en mesure de faire varier la longueur de la cavité résonante. Placée aux extrémités ou
aux nœuds des liaisons optiques, l’intégration des technologies MEMS aux filtres et lasers
verticaux à émission par la surface (VCSEL) répond à ces critères de flexibilité et d’agilité.
Dans cette perceptive, mes travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre de deux projets
de recherches. Le premier est un projet national RNRT-MOUSTIC (Microsystème Optique
poUr la SélecTIon de Canaux) et le second est un projet européen IST-TUNVIC
(Micromechanical Widely Tunable VCSEL for WDM Telecommunication systems). Tous les
deux visent à développer des composants optiques accordables par effet électromécanique
pour le multiplexage en longueur d’onde à base de micro systèmes développés dans les
filières InP. Pour le projet TUNVIC, il s’agit de développer un laser à cavité verticale
émettant par la surface (en anglais VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser) opérant à
1,55 µm et accordable en longueur d’onde. Le projet MOUSTIC concerne le développement
de filtres optiques Fabry-Pérot capables d’accorder de façon électromécanique la longueur
d’onde entre 1,5 µm et 1,7 µm dans la fenêtre de transmission optique longues distances.
Dans le projet MOUSTIC, les partenaires impliqués dans la réalisation des filtres
optiques sont le LEOM de l’Ecole Centrale de Lyon pour sa maîtrise des procédés de
microtechnologies sur InP, Thales recherche et technologie (TRT) France pour la croissance
d’hétérostructure InP/InGaAs pour les microsystèmes et les aspects intégration système et
ATI optique pour la mise sur embase puis en module du filtre, et enfin le LPM à l’INSA de
Lyon pour les aspects de caractérisation.