Conception de Commutateurs Micro-usinés sur Silicium pour les

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
N° attribué par la bibliothèque
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THESE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’INPG
Spécialité : Microélectronique
préparée au laboratoire TIMA
dans le cadre de l’Ecole Doctorale
« Electronique, Electrotechnique, Automatique, Télécommunications, Signal »
présentée et soutenue publiquement
par
Sergio MARTINEZ
le 21 mai 2002
Titre :
Conception de Commutateurs Micro-usinés sur Silicium
pour les Réseaux Tout Optiques
______
Directeur de thèse :
Bernard COURTOIS
______
JURY
Mme. Nadine GUILLEMOT, Président
M. Christian DUFAZA, Rapporteur
M. Tarik BOUROUINA Rapporteur
M. Bernard COURTOIS, Directeur de thèse
M. Christian SCHAEFFER, Examinateur
M. Abderrahim RAMDANE, Examinateur
M. Pierre KERN, Examinateur

iii
Remerciements
Mon intérêt pour les microsystèmes a commencé un certain jour à Monterrey, lors de la
lecture d’un article dans le magazine « Spectrum » intitulé « Mirrors on a Chip ». Quelques
années sont déjà passées depuis lors et ma conception abstraite des microsystèmes de cette
époque a évolué vers une connaissance beaucoup plus définie. Ces années au TIMA ont déjà
laissé leur trace.
Je suis profondément reconnaissant à mon directeur de thèse, Bernard Courtois pour avoir
soutenu mes recherches dans la voie des microsystèmes. J’admire son engagement pour faire
avancer ce domaine émergent. C’est maintenant à moi de porter le flambeau des
microsystèmes dans un autre coin du monde.
Je remercie aussi Jean-Michel Karam qui un jour m’a suggéré d’orienter mes recherches soit
vers les microsystèmes optiques soit vers les application des télécommunications. J’ai fini par
choisir un sujet qui concernait les deux domaines. Merci de m’avoir indiqué la bonne
direction.
Je voudrais témoigner ma reconnaissance à Madame Nadine Guillemot, directrice adjointe de
l’Ecole Nationale Supérieure d’Electronique et Radioélectricité de Grenoble (ENSERG), qui
m’a fait l’honneur de présider mon jury de thèse.
Que les Professeurs Christian Dufaza, directeur d’études dans le Département
Microélectronique et Télécommunications de Polytech’ Marseille, Université Aix-Marseille
I ; et Tarik Bourouina, de l’Ecole Supérieure d’Ingénieurs en Electrotechnique et Electronique
(ESIEE), trouvent ici l’expression de ma reconnaissance pour avoir accepté d’être rapporteurs
de mon travail.
Je remercie également le Professeur Christian Schaeffer, du Centre Inter-Universitaire de
Microélectronique (CIME) ; Monsieur Abderrahim Ramdane, du Laboratoire de Photonique
et Nanostructures (LPN) ; et Monsieur Pierre Kern, du Laboratoire d’Astrophysique de
l’Observatoire de Grenoble (LAOG) ; qui ont accepté de faire partie de mon jury de thèse.
J’adresse mes remerciement à Monsieur Ahmed Jerraya, directeur du groupe SLS du TIMA,
et à Monsieur Steven Levitan de l’Université de Pittsburgh, pour les expériences partagées
dans le projet de validation de systèmes hétérogènes.
Je tiens aussi à témoigner ma reconnaissance au Professeur Skandar Basrour et à Monsieur
Salvador Mir pour tout le temps qu’ils ont consacré à la lecture du manuscrit de thèse. Leurs
conseils m’ont été très précieux pour l’amélioration du document.

iv
Pour les expériences aussi bien professionnelles que personnelles, je remercie mes collèges
Fabien Parrain, Benoît Charlot, Nicolas Galy, Jérôme Goy, Christian Dominguez, Libor
Rufer, et Zein Juneidi, de l’ancien groupe MCS ; Gabriela Nicolescu, Lobna Kriaa et Wassim
Youssef, du groupe SLS; Laurent Fesquet, du groupe CIS ; Alejandro Chagoya, du CIME ; et
Tim Kurzweg et José Martinez de l’Université de Pittsburgh. Je remercie également Françoise
Renzetti pour son aide dans plusieurs étapes de mon séjour au TIMA.
Je voudrais exprimer ma reconnaissance au Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología
(Conacyt) et à l’Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM), les
deux organismes qui ont soutenu financièrement mes études de Doctorat.
Je remercie ma famille et mes proches pour m’avoir soutenu au cours de mes études : Irma
Chapa, Claire Zinelli, Patrick Zinelli, Héctor et Silvia Martinez, Jaime et Irma Garcia, Tatie
Cathy, Lydia Chapa, Marie-Cécile Cauvet, Antoine et Dominique Palfroy.
Finalement, je remercie ma femme Andrée pour son soutien incomparable et pour sa patience
à m’écouter parler un peu trop de microsystèmes ces dernières années. C’est à Andrée et à ma
petite Floranne que je voudrais dédier ce travail.

v
Table de Matières
Chapitre 1............................................................................................................................................................... 1
Introduction
1.1. Vue d’ensemble sur les réseaux optiques......................................................................................................... 1
1.1.1. Evolution de la transmission de signaux par fibre optique .................................................................... 2
1.1.2. Fibre optique monomode de silice......................................................................................................... 4
1.1.2.1. Pertes de propagation...................................................................................................................... 5
1.1.2.2. Dispersion dans les fibres monomode ............................................................................................ 5
1.1.3. Multiplexage en longueur d’onde.......................................................................................................... 7
1.1.4. Architectures des réseaux optiques........................................................................................................ 8
1.1.5. Architecture et spécifications d’un commutateur optique ................................................................... 10
1.1.6. Commutateurs optiques à court terme ................................................................................................. 12
1.2. Vue d’ensemble sur les microsystèmes optiques............................................................................................ 14
1.2.1. Les origines des microsystèmes optiques............................................................................................ 14
1.2.2. MOEMS .............................................................................................................................................. 17
1.2.3. Commutateurs optiques micro-usinés.................................................................................................. 18
1.3. Motivations, objectifs et plan de thèse ........................................................................................................... 20
Bibliographie ........................................................................................................................................................ 22
Chapitre 2............................................................................................................................................................. 25
Etat de l’Art sur les Commutateurs Optiques
2.1. Classification des commutateurs optiques...................................................................................................... 25
2.1.1. Commutateurs électro-optiques........................................................................................................... 26
2.1.2. Commutateurs thermo-optiques........................................................................................................... 28
2.1.3. Commutateurs acousto-optiques.......................................................................................................... 29
2.1.4. Commutateurs magnéto-optiques ........................................................................................................ 30
2.1.5. Commutateurs tout-optiques................................................................................................................ 31
2.1.6. Commutateurs mécano-optiques ......................................................................................................... 32
2.2. Avantages des commutateurs opto-mécaniques micro-usinés........................................................................ 35
2.2.1. Pertes d’insertion ................................................................................................................................. 36
2.2.2. Diaphonie intercanaux......................................................................................................................... 36
2.2.3. Dépendance sur la polarisation et sur la longueur d’onde ................................................................... 37
2.2.4. Taille.................................................................................................................................................... 37
2.2.5. Consommation..................................................................................................................................... 37
2.2.6. Temps de commutation ....................................................................................................................... 38
2.2.7. Coût ..................................................................................................................................................... 38
2.3. Conclusions .................................................................................................................................................... 38
Bibliographie ........................................................................................................................................................ 39
Chapitre 3............................................................................................................................................................. 43
Modélisation optique des commutateurs micro-usinés
3.1. Structures des commutateurs à base de miroirs.............................................................................................. 44
3.1.1. Commutateurs 2D................................................................................................................................ 44
3.1.2. Commutateurs 3D................................................................................................................................ 45
3.2. Modélisation de la propagation optique ......................................................................................................... 46
3.2.1. Théorie Electromagnétique.................................................................................................................. 46
3.2.2. Optique d’ondes scalaires.................................................................................................................... 47
3.2.2.1. Optique de faisceaux gaussiens .................................................................................................... 49
3.2.2.2. Formulation de Rayleigh-Sommerfeld ......................................................................................... 50
3.2.3. Optique géométrique ........................................................................................................................... 51
3.3. Pertes d’insertion dans les commutateurs optiques dues aux erreurs d’alignement des fibres ....................... 52