universit ´e de montr ´eal conception et fabrication d`un laser

UNIVERSIT ´ E DE MONTR ´ EAL
CONCEPTION ET FABRICATION D’UN LASER ` A FIBRE ACCORDABLE PAR
UNE CAVIT ´ E FABRY-P ´ EROT MICROFABRIQU ´ EE EN SILICIUM
JONATHAN MASSON
D´ EPARTEMENT DE G ´ ENIE PHYSIQUE
´
ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTR ´ EAL
M´ EMOIRE PR ´ ESENT ´ E EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPL ˆ OME DE MAˆ ITRISE ` ES SCIENCES APPLIQU ´ EES
(G ´ ENIE PHYSIQUE)
JUILLET 2008
c
Jonathan Masson, 2008.

UNIVERSIT ´ E DE MONTR ´ EAL
´
ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTR ´ EAL
Ce m´ emoire intitul´ e:
CONCEPTION ET FABRICATION D’UN LASER ` A FIBRE ACCORDABLE PAR
UNE CAVIT ´ E FABRY-P ´ EROT MICROFABRIQU ´ EE EN SILICIUM
pr´ esent´ e par: MASSON Jonathan
en vue de l’obtention du diplˆ ome de: Maˆ ıtrise ` es sciences appliqu´ ees
a´ et´ e dˆ ument accept´ e par le jury d’examen constitu´ e de:
M. FRANCOEUR S´ ebastien, Ph.D., pr´ esident
M. PETER Yves-Alain, Ph.D., membre et directeur de recherche
M. SAWAN Mohamad, Ph.D., membre

iv
REMERCIEMENTS
Tout d’abord, j’aimerais remercier mon directeur de maˆ ıtrise Yves-Alain Peter pour
m’avoir donn´ e l’opportunit´ e de d´ ecouvrir le monde de la recherche et pour m’avoir fait
profiter des toutes les opportunit´ es internationales qui m’ont ´ et´ e offertes.
J’aimerais ensuite remercier tous les ´ etudiants du LMSN. Particuli` erement Sacha Berge-
ron pour son expertise et son excellent travail de projet de fin d’´ etude qui a permis d’ef-
fectuer les premi` eres mesures optiques au laboratoire. De plus, merci pour avoir mont´ e
le premier laser ` a fibre. Merci ` a Samir Sa¨ ıdi pour son accompagnement spirituel lors
de r´ eflexions th´ eoriques. Merci ` a Rapha¨ el St-Gelais et Pierre Pottier pour les mesures
de derni` eres minutes. Merci ` a Fatou Binetou Kon´ e pour le transfert de connaissance de
microfabrication. Merci ` a Alexandre Poulin pour toute l’aide fournie au laboratoire et
`
a Franc¸is Vanier pour le travail sur le FIB. Merci ` a In-Youk Song pour les secrets du
lissage au FIB. Merci ` a Alireza Hajhosseini Mesgar pour avoir r´ epondu ` a toutes mes
questions et pour m’avoir instruit sur beaucoup de sujets. Merci Kazem Zandi pour les
premi` eres mesures du r´ efractom` etre.
Un gros merci ` a Philippe Vasseur pour son soutient inconditionnel dans la salle blanche
et pour avoir donn´ e beaucoup de son temps pour r´ eussir ` a graver le plus verticalement
possible.
Merci ` a Mikeal Leduc, Maxime Rivard et Nicolas Godbout pour le prˆ et d’´ equipement et
la fabrication de coupleurs en urgence.
Merci ` a Raman Rashyap pour ses conseils sur la conception de laser ` a fibre et ` a Runnan
Liu pour son aide dans la mesure de largeur spectrale du laser.

v
R´ ESUM ´ E
Nous pr´ esentons un filtre optique accordable microfabriqu´ e dans le silicium mono cris-
tallin. Le silicium est un mat´ eriau aux propri´ et´ es int´ eressantes tant du point de vue
m´ ecanique qu’optique. Un filtre accordable peut ˆ etre utilis´ e comme filtre pour les r´ eseaux
de t´ el´ ecommunication optique, comme ´ el´ ement actif d’un ROADM, comme r´ efracto-
m` etre, comme acc´ el´ erom` etre optique ou encore comme micro spectrom` etre. Dans le
cadre de ce travail, le filtre est utilis´ e pour syntoniser un laser ` a fibre optique.
Le filtre est form´ e de deux miroirs di´ electriques, des miroirs de Bragg, plac´ es face ` a
face pour former une cavit´ e Fabry-P´ erot (F-P). Un des deux miroirs est actionn´ e par
un peigne interdigit´ e pour faire varier la longueur de la cavit´ e F-P et accorder le filtre.
La simulation du comportement optique du filtre est faite par la m´ ethode de matrice de
transfert qui y est pr´ esent´ ee. Les propri´ et´ es des miroirs ainsi que de la cavit´ e sont ´ etudi´ ees
d’abord par des simulations puis par des r´ esultats exp´ erimentaux. Le filtre est fabriqu´ e
suivant les proc´ ed´ es standards de la microfabrication. Une ´ etape de photolithographie
est suivie par la gravure s` eche du silicium par DRIE. La lib´ eration au HF et le s´ echage
permet d’obtenir une structure suspendue par quatre ressorts. La fr´ equence de r´ esonance
du dispositif est de 14,4 kHz ce qui permet d’accorder rapidement le filtre. La tension
d’actionnement maximale se situe sous les 50 V. Le filtre est accord´ e sur une plage de
plus de 90 nm de 1531 nm ` a plus de 1621 nm en appliquant 40,7 V. La largeur ` a mi-
hauteur varie entre 4,4 et 7,6 nm. Les pertes en transmission varient de -9 ` a -24 dB. De
plus, on montre qu’il est possible d’att´ enuer le signal de 3 dB en faisant bouger un seul
mur d’un miroir de Bragg.
Le filtre est ins´ er´ e dans une cavit´ e d’un laser ` a fibre en configuration en anneau. Le milieu
amplificateur est la fibre optique dop´ ee ` a l’erbium. L’erbium est utilis´ e pour sa large
plage de gain ´ elev´ ee. On pompe le laser avec une diode laser ` a 1480 nm au travers d’un
coupleur WDM. On utilise un isolateur optique pour assurer d’une seule direction de
propagation de la lumi` ere dans la cavit´ e. En accordant le filtre, il est possible d’accorder

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le laser. On obtient une plage accordable de 35 nm de 1539 ` a 1574 nm avec une puissance
maximale de sortie de 1,8 mW. La largeur ` a mi-hauteur de la raie laser se situe sous les
0,03 nm.