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
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
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
I-1
Introduction
5
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
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
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 WDM1.
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’’
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Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
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 FabryPérot, 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.
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
8
Ces partenaires nationaux impliqués dans le projet RNRT-MOUSTIC, le sont aussi
dans le projet IST-TUNVIC. Il s’agit du LEOM qui en plus de son savoir-faire en
microtechnologie apporte au projet TUNVIC sa maîtrise de la reprise de croissance par la
technique épitaxie par jet moléculaire sur des matériaux déposés par épitaxie en phase vapeur
aux organo-métalliques (EPVOM). Le département de recherche et développement de Thalès,
TRT-France, est chargé des aspect de mise en module de composants actifs. Quant au
laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN) dont l’expérience dans la fabrication de
matériaux lasers est reconnue, il réalise le miroir de Bragg tout semiconducteur, la couche
active, la jonction tunnel par EPVOM (le demi VCSEL), et la localisation de l’injection
électrique par implantation ionique.
I-3
Composants MOEMS
Initialement destinés à la microélectronique, les procédés développés dans la filière
silicium sont transférés vers les filières III-V, matériaux clés pour l’optoélectronique. De plus,
la fabrication des microsystèmes électromécaniques (en anglais MEMS, micro electro
mechanical systems) bénéficie pleinement de la maturité des procédés de fabrication
collective de la microélectronique, ce qui réduit considérablement les coûts de fabrication. La
maîtrise des procédés de gravure tels que la RIE (de l’anglais, Reactive Ion Etching) ou l’ICP
(de l’anglais, Inductively Coupled Plasma) et de micro-usinage de surface ont permis
d’augmenter respectivement le rapport d’aspect et la sélectivité des procédés. Ces progrès ont
considérablement amélioré l’efficacité d’accordabilité électromécanique des membranes sous
l’action d’une force électrostatique, les propriétés optiques, ainsi que les tensions de
fonctionnement des composants mettant en œuvre la technologie des microsystèmes [3].
I-3.1
Généralité: principe, intérêt
Le principal objectif des MEMS optiques/MOEMS est de développer des technologies
pour les capteurs et des dispositifs accordables en vue de réaliser de nouveaux composants
pour lesquels le niveau de contrôle, de réception, des performances, et de la flexibilité est
accru. Les MOEMS apportent ainsi, aux composants classiques, la capacité de modifier ou de
moduler le chemin de la lumière. La plupart des composants MOEMS agissent sur les
grandeurs physiques telles que la réflexion, la diffraction ou la réfraction de la lumière.
L’optique est aujourd’hui fortement utilisée dans le traitement de l’information, pour
la génération, la manipulation, le guidage et la détection de lumière [4]. Dans cette perspective,
les fonctions MOEMS sont mises à profit pour la manipulation de la lumière dans une, deux,
ou trois dimensions [5]. La caractéristique, la plus attractive des MOEMS, est la possibilité
offerte aux éléments optiques de se déplacer avec une grande précision et un temps de réponse
inférieur à la milliseconde [6]. Les mouvements des MOEMS permettent une manipulation
dynamique des faisceaux lumineux. Cette manipulation dynamique peut par ailleurs être mise
à profit dans la modulation de l’amplitude ou de la longueur d’onde, l’introduction de retard
temporel, la diffraction, la réflexion, la réfraction ou le réalignement spatial des faisceaux.
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
I-3.2
L’intérêt de l’actuation
9
Les MOEMS permettent d’intégrer les fonctions d’accordabilité. L’actuation offre la
possibilité à un composant unique de pouvoir opérer à volonté sur différents canaux de la
grille ITU (de l’anglais, International Telecommunication Union). Un composant accordable
unique peut ainsi seul remplacer plusieurs composants de la grille ITU. L’accordabilité peut
être réalisée de plusieurs façons : elle peut être thermique, électro optique, et mécanique.
Chacune de ces techniques d’accordabilité couvre une gamme croissante 3 nm par effet
thermique, d’environ 10 nm par effet électro-optique, et potentiellement plusieurs centaines
de nanomètre par effet mécanique. Les processus mis en œuvre pour obtenir l’accordabilité
ont des temps de réponse compatibles avec les applications à hauts débits, puisqu’en effet leur
durée de commutation est inférieure à la milliseconde [7].
Le temps de commutation entre deux canaux adjacents est typiquement de l’ordre de la
microseconde pour les processus mécaniques, de l’ordre de la milliseconde pour les processus
thermiques. L’accordabilité par voie thermique [8] est elle aussi basée sur la modification de
l’indice de réfraction du matériau : en effet la température agit sur l’indice à travers l’énergie
du gap et selon la statistique de Fermi-Dirac.
L’accordabilité mécanique sera au cœur de ce travail. Le chemin optique est modulé
en variant la géométrie du dispositif à travers le déplacement mécanique d’une membrane.
Cette voie est privilégiée, puisque le domaine d’accordabilité est potentiellement susceptible
de couvrir continûment les bandes spectrales L (1,570 µm-1,625 µm) et C (1,525 µm-1,570
µm) réservées aux transmissions longues distances par fibre optique.
I-3.3
Adéquation des MOEMS avec le marché
Les technologies MOEMS à base de cavité Fabry-Pérot développées au LEOM que
nous comptons étudier s’insèrent dans cette perspective. Ces composants MOEMS
accordables en longueur d’onde et monolithiques apportent aux réseaux optiques la flexibilité
nécessaire à la réduction des coûts et à l’augmentation de débits [9]. Le remplacement d’une
série de composants WDM par un composant MOEMS unique, capable de couvrir les bandes
C et L, simplifie à la fois la gestion des protocoles et la maintenance, en réduisant les temps
d’accès et de reconfiguration [10], tout en améliorant l’interopérabilité entre les plateformes
optiques. Ces composants s’insèrent dans les systèmes OADMs (de l’anglais, Optical
Add/Drop Multiplexing) pour prélever ou insérer sélectivement un canal d’une liaison WDM
dans des architectures métropolitaines où le composant MOEMS est placé en série ou en
cascade [11, 12].
Le flux d’information transmis vers la fibre optique est ainsi multiplié par le nombre
de canaux multiplexés. Ainsi, si chaque canal du réseau DWDM 50 GHz est modulé à 10
Gbps (bps=bits par seconde) et que la ligne comporte sur les bandes L et C de la fenêtre de
transmission de la fibre de silice 2x80 canaux, le débit des données multimédia (donnée, voix,
image) atteint 1,6 Tbps (cf. Figure I-3).
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
Figure I-3 :
I-3.4
10
Distribution des canaux WDM des bandes L et C dans la grille ITU.
Défis technologiques
Les difficultés particulières à l’intégration des technologies MOEMS, aux filtres et aux
VCSELs accordables, sont la maîtrise de l’ingénierie des contraintes, des étapes de micro
usinages et de séchages. Ces points critiques quant à la réalisation de filtres et VCSELs
accordables proviennent de la difficulté de réaliser des résonateurs combinant un grand
facteur de qualité, et pour les VCSELs une faible résistance thermique, et de maîtriser les
procédés de microtechnologie ainsi que les contraintes dans les couches minces afin de
maintenir les spécifications WDM (cf. Tableau I-1) lors de l’actuation. Ceux-ci demandent
dans le cas des VCSELs d’adapter au mieux la position du mode de la cavité Fabry-Pérot et
celle du maximum de la courbe de gain pour réduire le seuil de l’effet laser.
Tableau I-1 : Différence entre les normes CWDM et DWDM2.
CWDM
DWDM
MAN
MAN
LAN
Espacement entre canaux >200 GHz (1,6 nm)≤2500 GHz ≤ 200 GHz
≤ 100 GHz
Distance de transmission
~ 50 kms
> 100 kms
≥ 160 kms
Pertes d’insertion/ canal
2 dB
< 1dB
Taux de réjection
> 30 dB
> 25 dB
> 25 dB
3 nm
0,01 nm
0,01 nm
Stabilité en λ
Applications ou topologie Anneaux, point à point (PoP),
Anneaux,
Anneaux
réseaux
réseaux passifs optiques, Hub
PoP
Amplificateur
Non
Non
Oui
Taux de transmission
10-100 Mbps
0,1-2,5 Gbps 10-40 Gbps
Nombre de canaux
1-8ou16
4-64
32-160
2
Données des normes ITU-T G.692 et ITU-T G.694.2
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Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
I-4
Filtres
11
La technologie de micro usinage est une étape clé pour la fabrication des MEMS. Les
premiers dispositifs ont été développés dans les années 1970 sur la filière silicium. Le micro
usinage a rapidement atteint, autour des années 1990, le degré de maturité nécessaire pour la
réalisation de démonstrateurs[13]. Les premiers filtres accordables à base de micro cavité opto
mécanique ont été fabriqués par AT&T Bell Labs en 1994 sur la filière Silicium [14]. En
raison de l’intérêt de ces systèmes pour la manipulation des systèmes optiques, les
technologies de micro-usinage ont été transférées vers les matériaux III-V dont les
caractéristiques et les propriétés optiques sont sans équivalent par rapport au silicium. En
effet, sur cette filière, des composants passifs et actifs peuvent être intégrés sur une même
plaque. Ce travail de transfert vers les matériaux III-V, en particulier sur le GaAs, est
récapitulé dans les travaux de Hjort [15]. Dans ce contexte, les premiers dispositifs MEMS sur
matériaux III-V apparaissent sur GaAs en 1995 avec Déhé et al [16].
I-4.1
Résonateur Fabry-Pérot
Un filtre optique est avant tout un résonateur Fabry-Pérot composé de deux miroirs de
Bragg séparés par une cavité résonante d’Air. Le miroir de Bragg est un empilement
multicouche constitué d’une succession périodique de couches de haut et bas indice de
réfraction. Les épaisseurs optiques de ces couches sont un multiple de λ/4. Sa réflectivité et la
largeur de bande interdite de photon sont respectivement fonction du nombre de périodes et
de la différence d’indice de réfraction. L’épaisseur de la cavité résonante est un multiple de
λ/2. Les performances du filtre sont définies par la largeur de bande passante à -3 dB,
l’espacement entre canaux et la gamme d’accordabilité.
Toutefois, pour atteindre une largeur de bande passante à -3 dB inférieure à 100 GHz
(0,8 nm), il est indispensable d’avoir des miroirs de réflectivité supérieure à 99%. Les miroirs
de Bragg à forte différence d’indice permettent d’atteindre de telles réflectivités et d’obtenir
de grande gamme d’actuation tout en limitant le nombre de période, ce qui réduit
considérablement les temps d’épitaxie. L’accordabilité est réalisée en déplaçant, au moyen
d’un champ électrostatique, la lame du miroir de Bragg supérieur adjacente à la cavité.
Notons néanmoins que la réalisation de filtres compatibles avec les spécifications du WDM
demande une maîtrise des procédés de micro usinage et d’ingénierie des contraintes (cf.
Paragraphe I-6).
I-4.2
Etat de l’art sur les filtres accordables
Les groupes travaillant à la mise aux points de filtres accordables à base de micro
cavité Fabry-Pérot sont disséminés pour la plupart en Europe (Suède-KTH, AllemagneTUD/Kassel, France-LEOM/LPM), en Amérique du Nord (USA-University of Stanford,
Berkeley, cornell) et tout récemment en Asie (Japon-TITech). Deux approches sont
identifiables : l’une consiste à tirer profit des matériaux à forte différence d’indice de
réfraction sur les filières silicium ou GaAs pour la fabrication de miroir de Bragg de haute
réflectivité et l’autre, que nous avons privilégiée, utilise des miroirs de Bragg MOEMS
formés par un empilement multicouche de semiconducteur (InP) et d’Air (cf. Figure I-4).
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
Figure I-4 :
Approche monolithique InP/Air[28] et SiO2/TiO2
avec SiO2/Si et GaAs/AlGaAs[21].
12
[18]
, Technologie de report
Contrairement aux autres approches, celle que nous étudions est monolithique, et tire
avantage des techniques de fabrication collective pour réduire les coûts de fabrication
inhérents à l’utilisation des technologies de report (en anglais, Flip-Chip). Les coûts de
production sont ainsi reportés, dans le cas des technologies monolithiques, en grande partie au
niveau de la mise en boîtier (en anglais, packaging).
Les matériaux identifiant chacune des filières permettent de diminuer le nombre de
couches nécessaires à la réalisation de miroirs de Bragg de haute réflectivité. Une grande
différence d’indice permet de réduire substantiellement le nombre d’empilement pour une
même réflectivité (cf. Tableau I-2).
Tableau I-2 : Réflectivité des différents miroirs de Bragg, calculé sur un substrat InP selon
l’équation III-2 pour θ=0.
Matériaux
Indice
∆n Réflectivité Nombres d’alternances
InGaAsP(1,4µm)/InP 3,43/3,167 0,263
99,9%
52
InGaAlAs/InP
3,5/3,167 0,333
99,9%
41,5
InGaAlAs/InAlAs
3,5/3,2
0,3
99,9%
46,5
GaAs/AlAs
3,37/2,9 0,47
99,9%
27,5
GaAlAs/AlOx
3,1/1,55 1,55
99,9%
5,5
GaAlAs/GaAs
3,1/3,37 0,27
99,9%
49,5
InGaAs/AlAs
3,58/2,9 0,68
99,9%
19,5
InGaAs/InP
3,58/3,167 0,413
99,9%
34
InP/Air
3,167/1 2,167
99,9%
3
Si/SiO2
3,42/2,01 1,41
99,9%
7,5
SiO2/Si3N4
2,01/2,54 0,54
99,9%
17
TiO2/SiO2
2,71/2,01 0,7
99,9%
13
Bien que les miroirs de Bragg MOEMS InP/Air présentent la meilleure différence
d’indice, la réalisation de dispositifs reste extrêmement sensible à la qualité des technologies
et exige une excellente maîtrise des procédés de fabrication. C’est pourquoi, les premiers
filtres ont été fabriqués à base de miroirs de Bragg diélectriques (TiO2/SiO2 et Si/SiO2) au
moyen de technique de dépôt chimique assisté par plasma (CVD) [17, 18].
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
13
Les filtres développés jusqu’à récemment relèvent de deux logiques, l’une consistant à
minimiser le temps de développement en séparant l’optimisation du miroir actuable et du
miroir fixe. Il s’agit de l’approche « Flip-chip » privilégié par Aziz et al du TUD de
Darmstadt, Allemagne, où deux composants passifs sont assemblés pour réaliser la fonction
de filtrage après avoir été fabriqués sur deux substrats distincts [19]. La réalisation d’une cavité
stable est ainsi facilitée puisque la courbure du miroir déformable peut être optimisée
indépendamment du miroir fixe.
Très rapidement, cette équipe du TUD s’est orientée vers une actuation
électrothermique. Selon Peerlings et al, les tensions de polarisation appliquées restent faibles
comparativement à la puissance thermique dissipée (26 mW à 2,7 Volts). L’efficacité
d’actuation atteinte pour les membranes (bras de 150 x120 µm²) est de 150 nm/mW contre 3
nm/V pour l’actuation électrostatique (103 nm à 35 Volts) [20].
L’optimisation des techniques de micro-usinage en volume, des techniques
d’assemblage passif, et de l’actuation thermique leur ont permis de réaliser des filtres DWDM
accordables grâce à une technologie de report à base de miroir de Bragg InAlGaAs/InAlAs sur
substrat d’InP[21] et AlGaAs/GaAs(14,5 périodes)-InGaAs/AlGaAs(5 périodes) sur substrat de
GaAs [22]. Les performances respectives en actuation sont de 30 GHz (0,24 nm) de largeur de
bande passante à -3 dB accordable sur 40 nm et de 15 GHz (0,12 nm) de largeur de bande
passante à -3 dB accordable sur 54 nm.
L’autre solution est une approche monolithique dont l’objet essentiel est la réduction
des coûts de production qui passe par automatisation des procédés de fabrication et la
réduction des tailles. Dans l’approche monolithique, l’actuation électrostatique est privilégiée
par rapport à la voie électrothermique. En effet la faiblesse des coefficients de dilatation
thermique des matériaux III-V demande la fabrication de puces de grandes tailles permettant
d’intégrer aisément les éléments chauffant. Par ailleurs, cette solution ne présente pas de
grande efficacité d’actuation lorsque le taux d’intégration est fort. La forte différence d’indice
de la filière GaAs est exploité pour la fabrication de miroirs de Bragg solide de haute
réflectivité par des techniques de dépôts de couches minces par épitaxie par jet moléculaire
(EJM) ou épitaxie en phase vapeur d’organo métalliques (EPVOM).
Tayebati et al ont très largement exploré cette filière par la réalisation de filtre à base
de miroirs de Bragg solide AlGaAs/AlAs [23] ou AlOx/AlGaAs [24]. Le filtre de Tayebati est
constitué de deux miroirs de Bragg solide et d’une cavité résonante d’Air accordée
électromécaniquement. Le miroir supérieur est suspendu par 4 ou 2 bras au dessus de la cavité
d’Air réalisée par micro usinage de surface de résine. Ces premiers composants WDM
monolithiques ont une bande passante à -3 dB de 59 GHz (0,47 nm) accordable sur une plage
de 70 nm pour 50 V appliqués.
Dans la même filière matériaux, Mateus et al de Berkeley proposent un nouveau
concept de filtre accordable pour lequel l’actuation électrostatique est basée sur un
mouvement en torsion d’un bras de levier. Cette approche permet de s’affranchir de la limite
d’actuation d’un tiers de la cavité. L’actuation est réalisée par le déplacement en torsion d’un
bras de levier, elle est de 100 nm lorsque la tension évolue entre 18 Volts à 22 Volts [25]. Par
ailleurs, Koyama et al du « Tokyo Institute of Technology » proposent d’utiliser la différence
entre les coefficients de dilatation thermique du GaAs et du AlGaAs pour réaliser une
actuation électrothermique. Ce filtre monolithique est actué sur 22 nm pour une variation de
température de 50 K[26, 27].
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Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
14
Ce n’est que récemment que les filtres accordables à base de micro cavité sont apparus
dans filière InP. Le LEOM à l’ Ecole Centrale de Lyon a développé, en étroite collaboration
avec le LPM, des filtres monolithiques à base de miroirs de Bragg InP/Air sur substrat InP [28,
29]
. Dans cette même filière, Chitica et al ont réalisé au KTH, Suède, un filtre InP hybride
formé, pour le miroir de Bragg inférieur, d’alternance InP/InGaAsP et d’un miroir de Bragg
supérieur diélectrique composé d’alternances Si/SiO2. La couche sacrificielle d’InGaAs est
éliminée par micro usinage de surface. Les performances obtenues sont une largeur de bande
passante à -3 dB de 1250 GHz (10 nm) et une plage d’actuation de 45 nm pour 40 Volts.
L’approche tout InP/Air qui exploite la meilleure différence d’indice de réfraction
(2,17) et une sélectivité totale de la solution de gravure entre l’InGaAs et l’InP [30] est suivie
par une équipe de l’IMA à Kassel, Allemagne en collaboration avec le KTH en Suède. Cette
équipe a développé des procédés pour rendre plus robustes les filtres InP/Air aux étapes de
microtechnologies, et a ainsi considérablement augmenté l’efficacité d’actuation [31].
Néanmoins, il reste difficile de réaliser des filtres atteignant des performances compatibles
avec la conception optique. Cela est du à la forte sensibilité des miroirs InP/Air au micro
usinage, à la croissance épitaxiale, à la gravure verticale, et à la gestion des contraintes dans
les couches minces [32].
I-5
Laser à cavité Verticale émettant par la
surface pour les transmissions longues
distances
En 1977, Iga du « Tokyo Institute of Technology » propose pour la première fois de
réaliser un laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL). L’originalité du dispositif
laser proposé consiste à faire croître dans la même direction de croissance en une seule étape
épitaxiale, le résonateur et le milieu amplificateur. Cette approche met à profit les techniques
de croissance épitaxiale pour réaliser une cavité monomode dont l’épaisseur est de l’ordre de
la longueur d’onde (cf. Figure I-5).
Figure I-5 : Schéma de principe d’un laser à
cavité verticale émettant par la surface.
Extraite de la référence [33]
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
15
Pour ce faire, le résonateur est réalisé grâce à des miroirs de Bragg distribués. Les
longueurs de cavité résonante étant de l’ordre de la longueur d’onde de l’émission laser, il est
alors impératif de disposer de miroirs à très haute réflectivité (>99,8%) pour atteindre le seuil
d’oscillation laser comparable à celui des lasers émettant par la tranche. Toute la difficulté de
ce type de dispositif consiste donc à réaliser des miroirs distribués de très haute réflectivité et
faiblement absorbant. L’obtention de ces critères de qualité demande une maîtrise de la
croissance en accord de maille, en particulier, une maîtrise des interfaces et un excellent
contrôle des épaisseurs des couches quart d’onde. De plus, il faut disposer de matériaux à
forte différence d’indice dans la même filière que celle du substrat afin d’abaisser le nombre
d’empilement nécessaire pour atteindre un pouvoir réflecteur supérieur à 99,8%.
Les avantages de ce type de laser par rapport aux lasers émettant par la tranche sont de
plusieurs ordres [33]. Parmi les plus importants, on trouve :
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
(v)
(vi)
Bas niveau du seuil laser induit par le faible volume de la couche
active.
Relative insensibilité de la longueur d’onde de l’émission laser et du
seuil à la température.
Grande fréquence de modulation et grand rendement quantique.
Fabrication monolithique compatible avec les technologies de micro
usinage.
Réalisation des tests sur plaque directement sur les composants discrets
avant séparation et montage ce qui permet de réduire considérablement
les coûts de mise en module.
Grande efficacité de couplage à une fibre optique due à un excellent
recouvrement entre les modes de la fibre et du laser [34].
Ces avantages font de ce type d’émetteur des composants extrêmement attractifs pour
l’industrie. Les coûts liés à leur production sont réduits comparativement aux lasers émettant
par la tranche pour lesquels le couplage à une fibre optique et la mise en module sont délicats.
I-5.1
Structures VCSELs solides
Ce n’est qu’en 1979 que le premier démonstrateur est publié [35]. Ce VCSEL dont le
milieu amplificateur est formé d’InGaAsP en accord de maille sur l’InP présente à 1,3 µm une
émission laser à la température de 77 K en régime d’injection impulsionnel avec un courant
seuil de 900 mA, soit un courant seuil de 44 kA/cm². Cette valeur élevée du courant seuil est
due à deux facteurs, d’une part l’utilisation de miroirs métalliques fortement absorbants dans
l’infrarouge et d’autre part à l’absence de localisation du courant injecté.
Dés 1987 le premier VCSEL émettant aux petites longueurs d’onde (0,98 µm) et
fonctionnant en régime d’injection électrique continu à température ambiante est fabriqué sur
substrat GaAs par Koyama à base de miroirs diélectriques [36, 37]. A contrario, la réalisation de
VCSELs pour les grandes longueurs d’onde fonctionnant en régime d’injection continue reste
difficile à obtenir du fait des pertes électriques par effet Auger. Celles-ci sont plus importantes
à de forte densité de courant pour les couches actives émettant à 1,3 µm ou 1,5 µm.
Les pertes électriques par effet Auger augmentent fortement la densité de courant
seuil. De plus, pour les lasers destinés aux transmissions longues distances émettant à 1,3 µm
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
16
ou 1,55 µm, il existe peu de matériaux à forte différence d’indice permettant la fabrication de
miroirs distribués de très haute réflectivité et faiblement absorbant. Ces deux aspects
expliquent le retard pris pour la fabrication des VCSELs à grande longueur d’onde. Le
premier résultat significatif a été obtenu à 1,3 µm en 1991 par Wada et al en régime
d’injection électrique impulsionnel à température ambiante[38] puis en 1993 par Baba et al en
régime d’injection continu à une température quasi ambiante (-57°C) [39] en associant à une
couche active InGaAsP/InP deux miroirs diélectriques. De plus, en 1992, Tadokoro et al [40]
enregistrent les premiers une émission laser à 1,5 µm en régime d’injection électrique
impulsionnel à température ambiante avec un courant seuil de 21 kA/cm² sur un dispositif
formé de miroirs distribués InGaAsP/InP (1,4 µm) et diélectriques.
Bien que les progrès enregistrés dans la fabrication ont permis dés 1993 d’abaisser le
courant seuil de l’émission laser à 3,0 kA/cm² à 77 K et 47 kA/cm² à 297 K pour les VCSELs
formés de miroirs diélectriques, une approche alternative consiste à coller autour d’une
couche active d’InGaAsP en accord de maille sur l’InP de deux miroirs semiconducteurs
GaAs/AlGaAs fabriqués sur substrat GaAs. Cette approche a permis en 1995 à Babic et al de
réaliser le premier VCSEL émettant à 1,55 µm en régime d’injection électrique continu[41] et
d’atteindre un courant seuil record de 2,5 kA/cm². La réduction de l’absorption optique par
porteur libre dans le miroir semiconducteur, le confinement des porteurs dans la couche active
ainsi que l’uniformisation de l’injection électrique par oxydation latérale ont permis
d’améliorer cette technique de collage et d’obtenir une émission laser jusqu’à 85°C [42].
L’utilisation du collage hétéroépitaxial reste une technique coûteuse car la fabrication
du VCSEL nécessite l’emploi de deux substrats et ne s’applique qu’à de faible surface. De
plus, la complexité des procédés de fabrication et la chute importante de tension à l’interface
de la soudure font que cette technique de collage est inadaptée pour les applications bas coûts.
Dès lors de nombreuses équipes se sont orientées vers le développement de solution
monolithique utilisant d’une part des miroirs formés de couple de matériaux accordés en
maille sur l’InP et d’autre part une combinaison de miroirs de Bragg diélectriques et
semiconducteurs. La plupart des équipes ont privilégié la deuxième approche [43] pour les
VCSELs à grande longueur d’onde afin de bénéficier de la grande conductibilité thermique
des matériaux diélectriques. Utilisant des miroirs InGaAs/InAlAs et diélectriques (MgF2/a-Si),
la société Vertilas3, issue de l’essaimage du « Walter Schottky Institute », Munich,
Allemagne, réalise un VCSEL émettant à 1,55 µm en régime d’injection électrique à travers
une jonction tunnel enterrée à température ambiante [44].
Pour ce qui est de l’approche totalement monolithique, communément utilisé pour les
VCSELs à courte longueur d’onde, ce n’est que récemment qu’elle est appliquée aux
VCSELs à grande longueur d’onde. En effet, Kazmierski et al ont réalisé en 1998 un VCSEL
entièrement monolithique, employant des miroirs de Bragg InGaAlAs/InAlAs accordés sur
InP, opérant à 1,56 µm en régime d’injection électrique impulsionnel à température ambiante
jusqu’à 55°C [45]. Très rapidement, en 1999, en utilisant un miroir constitué d’InP/InGaAsP et
un miroir métamorphique GaAs/AlAs, Boucart et al réalisent un VCSEL monomode émettant
à 1,55 µm opérant via une jonction tunnel en régime d’injection électrique continue à
température ambiante à jusqu’à 45°C avec un courant seuil de 1,7 kA/cm² [46]. De même, un
VCSEL émettant à 1,55 µm en régime d’injection électrique continu a été obtenu en
employant des miroirs semiconducteurs en accord d’AlGaAsSb/AlAsSb [47]. L’intérêt d’utiliser
une approche monolithique par rapport à celle exploitant le collage hétéroépitaxial [48] est
3
http://www.vertilas.com/
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
17
double : elle permet de réduire d’une part les pertes optiques dans la cavité et d’autre part la
tension de fonctionnement du laser par l’intégration d’un contact électrique enterré, une
jonction tunnel, ce qui diminue considérablement la résistance série de l’ensemble de la
structure laser.
C’est en 2001 que Chitica et al réalisent un VCSEL à grande longueur d’onde
constitué intégralement de miroir de Bragg tout InP/Air. L’effet laser est obtenu en régime
d’injection optique continu à température ambiante avec une puissance de pompe de 370
W/cm2 soit en équivalent courant de 0,4 kA/cm². Le VCSEL fonctionne à 1,56 µm et délivre
une puissance de 110 µW [49].
Peu de sociétés industrielles sont impliquées dans le développement de VCSELs à 1,3
µm et 1,55 µm. Parmi elles, Honeywell™4 impliquée depuis 1996 dans la production massive
de VCSELs à courte longueur d’onde développe activement depuis 2001 des VCSELs
monolithiques fonctionnant à 1,3 µm et 1,55 µm [50]. De plus en plus d’acteurs de l’industrie
traditionnelle des Télécoms tels que Infineon™, Emcore™… travaillent aux transferts des
VCSELs à grandes longueurs d’onde vers les unités de production [51].
I-5.2
Etat de l’art des VCSELs accordables
émettant à 1,55 µm
Le premier VCSEL accordable est obtenu en 1994 par Fan et al de l’université de
Californie par effet électrothermique. L’actuation est réalisé sur 10,1 nm grâce à une couche
métallique enterrée [52]. L’activité de recherche sur les VCSELs accordables à base de
microsystèmes débute en 1994 à l’université de Californie, USA, avec les équipes de ChangHasnain [53] puis d’Harris [54]. Jusqu’en 1994, les recherches sur les sources accordables
portaient essentiellement sur les dispositifs à cavité externe (depuis les années 1970) puis au
début des années 1980 sur les lasers DFB (distributed feedback) au Bell Labs [55, 56]. La
première approche présente des coûts d’assemblage élevés. Pour la deuxième approche, la
plage d’accordabilité des lasers DFB reste restreinte et l’accordabilité est discontinue.
Néanmoins, le développement de configurations exploitant l’effet Vernier et des miroirs
composés de plusieurs éléments parviennent à atteindre des plages d’accordabilité record de
72 nm grâce à l’utilisation de coupleurs codirectionnels assistés par réseau ou jonction Y [57].
La caractéristique d’actuation de ces lasers DFB formés de miroir de Bragg à multi sections
est extrêmement difficile à contrôler, puisque le courant d’injection et la température changent
avec la longueur d’onde d’émission. De plus, la longueur d’onde d’émission varie avec l’âge
du dispositif. La discontinuité du schéma d’actuation et la complexité du contrôle en longueur
d’onde font que la connaissance précise de la longueur d’onde d’émission est critique.
Les récents développements sur les technologies MEMS permettent d’envisager
l’introduction d’un miroir mobile capable de moduler mécaniquement la longueur de la cavité
résonante afin d’une part d’exploiter leur grande plage d’accordabilité continue, et d’autre
part de simplifier la fabrication et réduire les coûts inhérents à la production de lasers
accordables. La qualité principale des lasers accordables à base de MEMS est la continuité,
l’absence d’hystérésis, et la stabilité de la caractéristique d’actuation qui permet dans les
systèmes de transmission de bien se caler au centre d’un canal de transmission sans introduire
4
http://www.honeywell.com/
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
18
d’effet d’interférence avec d’autres canaux lors de l’activation et de l’aiguillage d’un signal
optique large bande. L’intégration monolithique des technologies MEMS et des VCSELs
combine avec succès le meilleur des deux technologies et apporte aux lasers d’importantes
plages d’accordabilité. La maturité des procédés de fabrication des VCSELs aux courtes
longueurs d’onde d’émission explique pourquoi les premières structures VCSELs
monolithiques et accordables exploitant une accordabilité électromécanique sont apparues.
Deux conceptions ont permis de faire en 1995, la preuve quasi simultanément de
l’intégration des MEMS aux structures VCSELs en régime d’injection électrique continu aux
courtes longueurs d’onde (~0,98 µm). Un premier dispositif fabriqué par l’équipe de ChangHasnain à Berkeley, où l’actuation électromécanique est basée sur le déplacement d’un miroir
de Bragg Al0.6GaAs/Al0.1GaAs (cf. Figure I-6.b), est accordé sur 15 nm [58]. De plus, un
deuxième dispositif, réalisé par l’équipe d’Harris à Stanford, permet dès 1995 en émission
spontanée de valider l’accordabilité mécanique sur une plage de 31 nm [59]. L’actuation est
cette fois-ci induite par une membrane GaAs suspendue par 4 Bras au dessus duquel est
déposé un miroir diélectrique SiNxHy/Au (cf. Figure I-6.a). Puis en 1996, ce même dispositif
est accordé sur une plage de 15 nm sous émission laser [60].
Ces deux équipes ont très rapidement amélioré leur approche respective. La plage
d’accordabilité atteinte est de l’ordre de 30 nm [61]. De plus, la réalisation d’un confinement
électrique par oxydation d’une couche d’AlAs et l’utilisation de miroir plus réflecteur ont
permis de diminuer le courant seuil de l’émission laser (<1mA) [62].
(a)
(b)
Figure I-6 :
Schéma de principe des VCSELs accordables à base de MEMS (a) présenté
par l’équipe d’Harris de Stanford, (b) par l’équipe de Chang-Hasnain de
Berkeley.
Les deux configurations précédentes ont par la suite été adoptées par deux « jeunes
pouces », les sociétés Bandwith9™ et Coretek™. Coretek™ dont les activités ont été
successivement acquises par Nortel™ puis Bookham™ exploite une approche développée par
Harris et al (cf. figure I-7.b) [63], tandis que Bandwith9™ utilise celle développée par ChangHasnain et al (cf. figure I-7.a). Par ailleurs, l’approche de Chang-Hasnain est actuellement
développée par Amano et al au « Tokyo Institute of Technology » où il exploite la différence
entre les coefficients d’expansion thermique du GaAs et de l’AlGaAs pour déplacer le miroir
de Bragg GaAs/AlGaAs et ainsi moduler l’épaisseur de la cavité d’Air de façon
électrothermique. La gestion adéquate des couches quart d’onde et des contraintes dans les
matériaux GaAs et AlGaAs permet d’abaisser la tension d’accordabilité et ainsi obtenir à 6,1
volts une actuation de 53 nm et 17,6 nm respectivement vers les basses et hautes longueurs
d’onde de la structure [64].
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
19
Les difficultés associées à la réalisation des miroirs de Bragg tout semiconducteur
dans les matériaux en accord de maille sur l’InP ont limité le développement des VCSELs
accordables jusqu’en 1999 selon les configurations précédentes. C’est uniquement en 1999
que Vakhshoori et al de la société Coretek™ réalisent un VCSEL accordable opérant en
régime d’injection optique continu à 1,55 µm sur substrat InP. La structure VCSEL présentée
sur la figure I-8.a est pompée optiquement par une diode laser (0,98 µm) à travers un miroir
de Bragg inférieur soudé sur le substrat d’une structure épitaxiée. Celle-ci est formée d’un
miroir diélectrique, d’une cavité d’Air accordable, et d’une cavité semiconductrice incluant
des multi puits quantiques contraints d’InGaAsP dans des barrières d’InGaAsP. Le VCSEL
émet en sortie une émission laser de 2 mW et est accordable sur 50 nm[65].
Figure I-7 :
Image obtenue par un microscope électronique à balayage MEMS VCSEL
(a) VCSEL accordable Bandwith9™5
(b) VCSEL accordable Coretek™
Une approche analogue récemment développée à Darmstadt dans le cadre du projet
TUNVIC présentée sur la figure I-8.b utilise un miroir diélectrique concave reporté sur une
structure épitaxiée formée d’un miroir de Bragg InGaAsP/InP et d’une couche active
d’InGaAsP. Cette couche active est prévue pour fonctionner en régime d’injection électrique.
L’injection de courant est réalisée par une jonction tunnel afin de minimiser la résistance
série. La localisation du courant est réalisée grâce à une étape d’implantation ionique O+. Les
premiers résultats obtenus montrent une émission laser à 1,55 µm de 0,5 mW en régime
d’injection optique continu (laser 0,98 nm) avec une accordabilité électrothermique de 24 nm
et une densité de puissance au seuil de ~2 kW/cm² [66].
Figure I-8 : VCSEL accordable à base de MEMS émettant à 1,55 µm
(b) « Flip-Chip » à pompage électrique
(a) Coretek™ à pompage optique
5
http://www.bandwidth9.com/
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Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
20
La solution adoptée par la société Coretek™ pour produire des VCSELs accordables
grandes longueurs d’onde à base de technologie MEMS reste non monolithique. Bien que le
développement des miroirs diélectriques, de la couche active et du miroir concave peuvent
être réduits grâce à une optimisation disjointe, les coûts de fabrication des solutions proposées
par Coretek™ et Riemenschneider et al de Darmstadt ne sont pas compatibles avec une
production en masse, seule capable de répondre à la forte demande en bande passante.
L’objectif permanent étant de réaliser un VCSEL monolithique accordable dont la
fabrication soit facile à mettre en œuvre, Bandwith9™ s’est orientée vers l’intégration de
miroirs métamorphiques à la structure de la figure I-7.a. Cette approche consiste à épitaxier
directement sur un substrat InP accordé en maille, des puits quantiques d’InGaAs/InGaAsP et
des miroirs GaAs/AlGaAs dont la qualité est déjà démontrée par Goldstein et al [67]. Le
VCSEL réalisé opère à 1,55 µm en régime d’injection électrique continu à température
ambiante jusqu'à 55°C avec une puissance de 0,45 mW à 25°C, un courant seuil d’environ 1,5
kA/cm², et 60 nm d’accordabilité [68]. Par ailleurs, d’autres procédés de fabrication sont
actuellement explorés. Il s’agit d’introduire des étapes d’implantation ionique H+, une
jonction tunnel, et des miroirs de Bragg accordés en maille sur l’InP. Ainsi, un VCSEL
monolithique accordable est réalisée selon la même configuration électromécanique en
utilisant une injection électrique par jonction tunnel et un confinement par implantation
ionique H+. Lorsque le miroir de Bragg InAlGaAs/InP est utilisé conjointement avec une
localisation du courant par implantation et une injection électrique par jonction tunnel, les
performances enregistrées restent globalement inférieures à celles rapportées par Yuen et al
en régime d’injection électrique continu, avec une accordabilité de 17 nm et une puissance de
0,9 mW à 15°C. L’émission laser est maintenue jusqu’à 75°C [69].
D’autres solutions sont actuellement en cours de développement dans les laboratoires
d’Agilent™ 6. La solution est extrêmement proche de celle vers laquelle nous nous sommes
orientés[70]. Elle consiste à réaliser un VCSEL en utilisant un miroir de Bragg inférieur et
supérieur InP/Air et une cavité d’InP dans laquelle sont enterrés les 5 puits quantiques
d’InGaAsP. L’injection électrique est réalisée par une jonction tunnel à travers deux contacts
électriques situés de part et d’autre de la cavité résonante d’InP (cf. Figure I-9). Le courant est
confiné par sous-gravure sélective de la jonction tunnel (cf. Figure I-9.b). Sur cette Structure
VCSEL, l’équipe d’Agilent™ est parvenue à obtenir un effet laser en régime d’injection
continu jusqu’à 85°C avec une puissance de 0,45 mW (à 25°C) et une densité de courant seuil
de 1,3 kA/cm²[71, 72].
(a) Image MEB des Miroirs InP/Air
Figure I-9 :
6
(b) Structure VCSEL tout InP/Air
VCSEL Agilent™ micro usiné tout InP/Air fonctionnant à 1,56 µm en régime
d’injection électrique continu à température ambiante.
http://www.labs.agilent.com/
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Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
I-6
Microtechnologies utilisées pour les
composants accordables
21
Depuis 1994, le LEOM développe les procédés de fabrication sur l’InP. Aujourd’hui
les procédés développés sont arrivés à maturité. La fabrication de MOEMS demande
l’intégration de techniques de croissance spécifiques où l’ingénierie des contraintes des
couches épitaxiées doit impérativement être finement contrôlée. Ces étapes technologiques
post croissance qui consistent à définir la microstructure par gravure sèche, sous-gravure
humide, la métallisation des contacts électriques, et le séchage sont regroupés sous le terme
générique de microtechnologie (cf. Tableau I-3). Elles comprennent les étapes de
photolithographie, de métallisation des contacts électriques, la structuration ou définition
verticale de la structure, et dans le cas particulier des MOEMS, la sous-gravure et le séchage
sur lesquels nous nous attarderons pour estimer leur impact sur l’expression de la fonction
MOEMS. Les points critiques pour la fabrication de microstructures sont aux nombres de
trois : l’ingénierie des contraintes lors de la croissance d’hétérostructure InP/InGaAs, la sousgravure humide, et le séchage. La maîtrise de ces points permettra de minimiser les effets
parasites sur la courbure, la tenue mécanique des structures suspendues [73], et le collage des
membranes micro-usinées.
Tableau I-3 : Enchaînement des étapes technologiques des MOEMS
No.
Paramètres
Masque
Commentaires
AZ 5214
Metal top contact
masque positif
1
Litho < 0
2
Dépôt
métal
3
Lift off
acétone
4
Recuit
RTA
5
Dépôt
SiO2
6
Litho > 0
7
Recuit
8
Ouverture SiO2
9
AZ 5214
contact haut
alliage contact haut
plasma ECR
Mesa filtre
étuve ou plaque
masque positif
durcissement résine
CHF3
transfert masque
Gravure semiconducteur
CH 4/H 2/O2
structuration verticale
10
Nettoyage
plasma O2
11
Litho > 0
12
Dépôt
métal
13
Lift off
acétone
14
Recuit
RTA
alliage contact haut
15
Polissage mécanique
16
Dépôt
Si/SiO2
couche anti-reflet
17
Litho > 0
18
Sous-gravure
19
Nettoyage
20
Séchage supercritique
AZ 5740
élimination polymère
Metal top contact
masque négatif
contact haut
Optoelectronique
classique
face arrière
AZ 5740
Mesa protection
masque négatif
FeCl3
gravure couche sacrificielle
acétone
élimination résine
acétone / CO2
Microtechnologie
III-V
I-6.1
Etape technologique
La gravure Verticale
La gravure verticale appliquée aux MOEMS consiste à isoler sur une plaque des
composants à partir d’un masque formé de motifs périodiques et de dimensions variables. La
gravure est réalisée par voie sèche. Le maintien des dimensions latérales requiert la mise en
œuvre de techniques de gravure faiblement sélectives, et fortement anisotropes. L’anisotropie
est essentielle afin d’obtenir de forts rapports d’aspect, et une bonne verticalité des flancs.
Deux techniques sont actuellement disponibles, il s’agit des techniques de gravure plasma : la
gravure ionique réactive, (en anglais RIE, reactive ion etching) et l’ICP (en anglais,
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
22
inductively coupled Plasma). La mise en œuvre de ces techniques de gravure requiert un
contrôle de la composition du mélange gazeux, du débit total, de la pression totale, et de la
densité de puissance RF afin d’obtenir des vitesses d’attaque importantes, une excellente
verticalité des flancs, et une faible rugosité de surface. Un compromis est à trouver entre la
cinétique de gravure et la verticalité des flancs : une augmentation de la composition des
espèces réactives accroît la vitesse de gravure au détriment de la verticalité des flancs, alors
qu’une baisse de la pression totale dans le bâti favorise la verticalité des flancs au détriment
de la cinétique de gravure.
La technique de gravure verticale utilisée dans la fabrication des MOEMS est la
gravure RIE par plasma CH4 :H2 . Les vitesses de gravure raisonnables et la qualité de la
morphologie des surfaces font que ce plasma est adapté pour la définition de structures à
facteur d’aspect modéré (~10 µm). Cependant, pour atteindre de forts facteurs d’aspect, il est
utile d’avoir, soit des cinétiques de gravure plus grandes, soit des temps de gravure plus
importants. Le temps de gravure et la profondeur gravée sont limités par la formation de
polymère et par la sous-gravure du masque de protection. L’augmentation du temps de
gravure a des effets désastreux, la formation de polymère renforce la sélectivité et affaiblit
l’anisotropie de la gravure entre l’InP et l’InGaAs. L’addition d’oxygène au procédé RIE
CH4 : H2 permet d’éliminer le dépôt de polymère hydrocarboné sur les flancs ce qui préserve
l’anisotropie et la faible sélectivité de la gravure. La passivation par l’oxygène empêche ainsi
l’apparition de cannelure latérale et améliore largement le facteur d’aspect.
L’une des difficultés majeures de la gravure ionique réactive est le contrôle in situ de
la profondeur de gravure pour permettre l’arrêt de la gravure sur la couche InP ou InGaAs
dans un empilement multicouche d’InP/InGaAs. Pour la réalisation du contact métallique bas
notamment, il est impératif d’arrêter précisément la gravure sur la couche dopée où sera
réalisée la métallisation. Dans le cas contraire les propriétés électriques de la jonction seront
très éloignées de la caractéristique visée. Un contrôle in situ de la profondeur de gravure
assurera la reproductibilité des fonctions électriques des dispositifs. Il existe plusieurs
techniques optiques qui permettent de réaliser ce contrôle in situ. Ces techniques sont pour la
plupart basées sur l’analyse des phénomènes d’interférence. Les techniques de contrôle in situ
les plus utilisées sont le RHEED (de l’anglais, Reflection High Energy Electron Diffraction)
et la réflectance infrarouge par transformée de Fourier (en anglais FTIR, Fourier Transformed
Infrared Reflectance) [74].
I-6.2
La gravure latérale
La gravure latérale fait suite à la gravure verticale. Le procédé choisi est une sousgravure humide des couches sacrificielles d’InGaAs [75]. Cette technique permet la production
de structures mécaniques tridimensionnelles. Elle doit être sélective pour ne pas porter atteinte
à l’intégrité de la structure. La gravure des matériaux semiconducteurs par voie humide est
gouvernée par des mécanismes d’oxydo-réduction et la cinétique de gravure est régie par la
diffusion et/ou l’équilibre de la réaction [76].
Le micro-usinage de surface est le procédé de gravure latérale mis en œuvre pour la
fabrication des membranes suspendues. Il présente l’avantage d’être compatible avec les
procédés de fabrications collectives. Une approche monolithique peut ainsi être envisagée.
L’empilement formé d’alternances d’InP/InGaAs est gravé sélectivement en éliminant les
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
23
couches de matériaux sacrificiels. La couche sacrificielle d’InGaAs est sous-gravée auquel cas
les lames d’InP sont libérées (cf. Figure I-10).
Figure I-10 : Schéma du procédé de
micro usinage de surface des structures.
La gravure humide développée pour la production de structures tridimensionnelles à
base de matériaux III-V utilise une solution de FeCl3 :H2O. La solution de gravure
FeCl3 :H2O offre une affinité chimique plus importante avec l’élément arsenic de la couche
d’InGaAs qu’avec le Phosphore. La solution de gravure FeCl3 :H2O retenue est sélective et
présente une forte anisotropie : la vitesse de gravure est maximale dans les plans de la famille
(100) et minimale dans les plans de la famille (110). L’existence de couches dopées perturbe
la cinétique de gravure de façon non négligeable. La perturbation se manifeste sous plusieurs
formes, à savoir, une surgravure de l’InP, une surgravure des plots d’ancrage, … Celle-ci
déséquilibre la structure suspendue et la répartition des contraintes.
I-6.3
Séchage des
supercritique
microstructures :
séchage
Au terme de l’étape de micro-usinage sélective et humique, il faut sortir les
microstructures de la solution de gravure FeCl3 :H2O. Les membranes micro usinées d’InP
sont séparées par quelques centaines de nanomètres d’Air. Du fait des faibles dimensions
latérales des structures micro mécaniques, les forces opérantes à la surface, à l’interface, et
entre les lames suspendues dues aux interactions moléculaires, aux charges électriques et
magnétiques peuvent devenir suffisamment importantes pour influencer le comportement des
composants MEMS. Au final, ces inflences peuvent avoir un impact déterminant sur l’échec
ou la réussite de la conception, la fabrication, et leurs fonctions. Pour identifier l’importance
relative de ces forces sur les MEMS, une comparaison des forces opérantes est réalisée
quantitativement en accord avec leurs distances d’interaction (cf. Figure I-11).
MOEMS
Figure I-11 : Comparaison
des
forces opérantes entre deux
membranes selon leur distance de
séparation, extraite de [77].
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
24
La figure I-11 montre en effet que les forces interagissant avec les membranes
suspendues sont les forces de capillarité et les forces électrostatiques. Les forces de capillarité
sont de quatre ordres de grandeur supérieures aux forces électrostatiques induites par
l’accumulation des charges à la surface des lames adjacentes aux cavités d’air (attraction de
Coulomb). La force de capillarité est une force d’interaction à courte distance où les
molécules possèdent en surface une énergie supérieure à celle en volume indépendamment de
la nature du milieu ambiant, qu’il soit solide ou liquide. Elle dépend exclusivement du
mouillage et de la morphologie de surface, à travers l’angle de contact. Dans ce cas, une
modification des surfaces par le micro usinage est susceptible de changer l’angle de contact.
Le phénomène de capillarité a ainsi, à de très courtes distances, des effets macroscopiques.
Ces distances submicroniques rendent non négligeables les forces de surface qui sont
supérieures ou du même ordre de grandeur que la force de rappel de la membrane suspendue.
De telles forces de surface sont susceptibles si elles ne sont pas convenablement gérées de
conduire au collage des lames d’InP suspendues.
Pour éviter un éventuel collage des microstructures MEMS par l’effet des forces de
capillarité ou des tensions de surface, il est impératif d’employer des méthodes à base de
liquide faiblement tension actif (cf. Tableau I-4) et la technique de séchage super critique.
Tableau I-4 : tension de surface à température ambiante.
Eau
CO2 (300K) CO2 Méthanol Acétone éthanol Isopropanol
à 300K supercritique 300K
300K
300K
300K
300K
Tension de surface
73
0
5
24,49
23,7
22,75
21,7
(mN/m)
Les microstructures sont plongées dans une
solution d’acétone pour être nettoyées. Suite au nettoyage
des microstructures, le CO2 en phase liquide remplace par
autoclave la solution d’acétone maintenue à une pression
de 50 bars et une température inférieure à 8°C. La faible
viscosité et tension de surface du CO2 fait qu’il lui est
relativement facile de s’infiltrer entre les lames d’InP. La
procédure de séchage par contournement du point triple
consiste à chauffer jusqu'à ce que la pression ait atteint les
conditions supercritiques (cf. Figure I-12) : 31°C et 72,8
Figure I-12 : Diagramme de
atmosphère. Le CO2 est à partir de ce point un superfluide
phase du CO2
dont les propriétés physiques varient de façon continues
en fonction de la température et de la pression. La tension de surface est nulle auquel cas le
collage par capillarité est éliminé.
Le retour progressif à la pression atmosphérique fait passer le CO2 de l’état
supercritique à l’état gazeux avec une variation progressive de sa tension de surface, ce qui
préserve du collage les microstructures formées de plusieurs couches d’air [78].
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
I-7
Conclusion
25
La technologie des microsystèmes montre jusqu’à aujourd’hui son immense potentiel
pour les composants et les systèmes de transmission métropolitains gourmands en bande
passante, où la demande pour le routage et l’aiguillage est critique. La flexibilité et la capacité
de reconfiguration dynamique que cette technologie confère font que l’intégration des MEMS
dans les systèmes multiplexés des réseaux métropolitains devient extrêmement attractive pour
l’implémentation d’actuateurs aux composants à configuration verticale.
Aucune autre technologie, à notre connaissance, ne peut moduler une fonction optique
sur une aussi large gamme de variation continue et ce pour des déplacements de quelques
fractions de longueur d’onde. Par ailleurs, le caractère monolithique de cette technologie
permet de rester compatible avec les exigences industrielles de réductions des coûts de
fabrication.
Intégré sur les composants verticaux à base de résonateur Fabry-Pérot, nous
envisageons, pour la réalisation de composants télécoms accordables autour de 1,55 µm,
dédiés à l’émission et au filtrage dans les réseaux multiplexés optiques de transmission longue
distance, d’utiliser des miroirs de Bragg micro usinés InP/Air afin de relâcher les contraintes
inhérentes à la fabrication de miroirs de Bragg tout semiconducteur de haute réflectivité sur le
substrat InP. Sur la figure I-13 sont représentés les schémas de principe des structures laser et
filtre optique que nous allons développer au cours de ce travail.
(a) VCSEL accordable
(b) Filtre optique accordable
Figure I-13 : Schéma de principe du VCSEL et Filtre optique accordables à base de MEMS
Les approches choisies sont monolithiques et offrent la possibilité de moduler la
longueur de cavité résonante. Pour la structure VCSEL MOEMS, la cavité résonante est mixte
et composée d’Air et d’InP (cf. Figure I-13.a). La structure filtre est entièrement formée de
lames d’InP séparées par des lames d’Air (cf. Figure I-13.b). Celle-ci réalise un résonateur
Fabry-Pérot où les deux miroirs de Bragg InP/Air inférieur et supérieur entourent une cavité
résonante d’Air. Dans ces deux types de structures, l’accordabilité est obtenue par
déplacement de la lame d’InP adjacente à la cavité d’Air.
©Aldrice G. Bakouboula
Chap. I
MOEMS pour les Télécoms
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