InP/Air - Les Thèses de l`INSA de Lyon

N° d’ordre 04ISAL0039
Année 2004
Thèse
Conception et caractérisation de Filtres optiques
et de VCSELs accordables à base de micro
système sur substrat InP pour les Réseaux
optiques multiplexés en longueur d’onde
Présentée devant
L’institut national des sciences appliquées de Lyon
Pour obtenir
Le grade de docteur
Formation doctorale
Dispositifs de l’électronique integrée
École doctorale
École doctorale Electronique Electrotechnique et Automatique
Par
Aldrice G. Bakouboula
Soutenue le 07 juillet 2004 devant la Commission d’examen
Jury MM. & Mme
C. Gorecki Directeur de Recherche (LOPMD), Rapporteur
S. Loualiche Professeur (INSA Rennes) (LENS), Rapportreur
T. Benyattou Chargé de recherche (CNRS) (LPM), Directeur de thèse
G. Guillot Professeur (INSA Lyon) (LPM), Examinateur
J-L. Leclercq Chargé de recherche (CNRS) (LEOM), Examinateur
I. Sagnes Chargée de recherche (CNRS) (LPN), Examinatrice
J. Jacquet (Alcatel Opto
+
), Invité

Conception et caractérisation de Filtres optiques et de VCSELs accordables à base de
micro système sur substrat InP pour les Réseaux optiques multiplexés en longueur d’onde
Résumé
L’engorgement des réseaux de transmissions optiques et la nécessaire réduction des
coûts de déploiement de nouveaux services incitent les opérateurs de
télécommunication à proposer des solutions peu onéreuses capables de supporter les
hauts débits et d’apporter une flexibilité accrue pour adapter dynamiquement les
architectures réseaux aux trafics. Pour répondre à ces besoins, ce travail se propose
d’étudier la compatibilité avec les canaux ITU espacés de 100 GHz et l’intégration des
micro systèmes actuables par voie électromécanique aux composants optiques
fonctionnant à 1,55 µm et fabriqués à l’échelle du micron par des procédés issus de la
microélectronique pour le multiplexage en longueur d’onde. Les objets étudiés sont des
filtres et des diodes lasers à cavité verticale à base de miroirs de Bragg à fort contraste
d’indice InP/Air fabriqués par micro usinage de surface.
Ce travail présente les études expérimentales menées pour surmonter les verrous
technologiques inhérents à la réalisation de filtres InP/Air accordables et VCSELs MOEMS
pompés électriquement. Dans la première partie, nous étudions les filtres accordables et
leurs propriétés modales. Cette étude a permis d’obtenir des filtres optimisés avec une
sélectivité de 32,5 GHz (0,26 nm) et un taux de rejection compatible avec le WDM. Dans
la seconde partie, les études sur les VCSELs pompés optiquement et électriquement ont
conduit au premier effet laser à température ambiante d’une structure mixte MOEMS en
pompage électrique avec un seuil à 2,8 kA/cm2.
Mots-Clés: Micro systéme – miroir de Bragg InP/Air – modes de cavité –
résonateur Fabry-Pérot accordable – VCSEL – WDM – micro caractérisation
optique – micro usinage de surface – jonction p-i-n – jonction tunnel enterrée
Design and characterization of tunable optical filters and tunable VCSELs based on micro
electromechanical systems on InP substrate for wavelength division multiplexed network
Abstract
Backbone network bottleneck and the cost killing of future service deployments
enforce the telecommunication market operators to envisage low cost high bit rate
solutions providing both reconfigurable and scalable dynamic capability to the optical
network architectures. This work propose to investigate the 100 GHz ITU grid channel
spacing compatibility and microelectromechanical system implementation to the
microelectronic batch process fabrication of WDM 1.55 µm tunable optical devices.
Filters and vertical cavity laser diodes based on high refractive index contrast InP/Air
Bragg mirors are performed by surface micro machining.
Experimental investigations which are carried out to overcome inherent technological
breakthoughs of InP/Air tunable filters and electrically pumped MOEMS VCSEL
fabrication are presented. In the first instance, we have studied the tunable filters and their
modal properties. This studies have permitted to obtain an optimized filter structure which
exhibit a 32.5 GHz (0.26 nm) selectivity and a WDM fitted side mode suppresion ratio. In
the second instance, optically and electrically pumped VCSEL investigations have carried
out our first room temperature electrical pumping lasing effect of an hybrid MOEMS
VCSEL structure with a 2.8 kA/cm2 current threshold.
keywords: Micro system – InP/Air Bragg mirrors – cavity modes – tunable
Fabry-Pérot resonator – VCSEL – WDM – optical micro characterization –
surface micromachining – p-i-n junction – buried tunnel junction
Modèle élaboré par Trafik – 33 (0)4 78 29 16 19 – www.lavitrinedetrafik.com

À mon père, Georges
To my mother, Rachel
À mes frères
À ma sœur

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REMERCIEMENTS
C’est au sein du Laboratoire de Physique de la matière de l’Institut National des Sciences
Appliquées, dirigé par le Professeur Gerard Guillot et sous la direction du Docteur Taha
Benyattou que ce travail a été effectué. Qu’il me soit permis au terme de celui-ci, d’exprimer ma
reconnaissance à tous ceux qui, de près ou de loin et de quelque manière que ce soit ont contribué
à sa réalisation.
Je souhaiterai tout d’abord remercier les membres du jury :
Merci à Monsieur Gérard Guillot, Professeur de l’Institut National des Sciences
Appliquées de Lyon et Directeur de l’unité CNRS-UMR 5511, pour m’avoir accueillie dans
son équipe, pour avoir présidé ce jury de thèse et accéléré la soutenance de ce travail, et
pour m’avoir donner les moyens, malgré la conjoncture dans l’industrie des
télécommunications et la réduction des budgets dans la recherche, de mener à bien ce
travail.
Merci à Monsieur Taha Benyattou, Chargé de Recherche CNRS au Laboratoire de
Physique de la Matière à l’Institut National des sciences appliquées de Lyon. Vous m’avez
laissé toute la latitude et fait bénéficier de votre expérience sur les composants
optiques accordables en longueur d’onde à base de microsystèmes.
Merci à Monsieur Jean-Louis Leclercq Chargé de Recherche CNRS au Laboratoire
d’Electronique, Optoélectronique et Microsystème à l’Ecole Centrale de Lyon et à Madame
Isabelle Sagnes Chargé de Recherche au Laboratoire de photonique et de
Nanostructures, sans qui ce travail n’aurait pas abouti. Je vous exprime personnellement
ma plus grande gratitude pour les nombreux échanges, votre investissement, et d’avoir su
jusqu’au bout défendre ces projets. Ce travail fait écho au votre.
Merci à Monsieur Christophe Gorecki, Directeur de Cherche au laboratoire
d’optique P.M. Duffieux à l’Université de Franche-Comté et à Monsieur Slimane Loualiche,
Professeur de l’Institut National des sciences appliquées de Rennes. Vous me faites
l’honneur et le plaisir de juger ce travail comme rapporteur et de participer au jury. Je
vous suis très reconnaissant pour tout le temps que vous avez consacré à la lecture de ce
manuscrit. Vos critiques et suggestions m’ont beaucoup aidé dans l’amélioration de ce
manuscrit.
Merci à Monsieur Joël Jacquet, Docteur-Ingénieur à Alcatel Research and
Innovation. Vous m’avez su voir plus qu’aucun autre la qualité de ce travail et vivement
encourage à valoriser ce travail par des publications. Vos critiques et vos suggestions
m’ont permis d’améliorer ce manuscrit.
Merci à tous les membres du laboratoire, en particulier de l’équipe Matériaux et Composants pour
la Micro- et Opto-électronique (MCMO) qui m’ont soutenu et accompagné tout au long de mon
séjour parmi vous. Je remercie au delà de cette exercice de style, mes compagnons de route,
Doctorants, qui à divers périodes ont partagé mes doutes. Je remercie, sincèrement, Matthieu
Martin, Jorge De la Torre, Bassem Salem, Ilham El Harrouni, Stephane Burignat, Vincent
Celibert, Nicolas Schnell, Sebastien Berger, Philippe Ferrandis, Edern Tranvouez, Meriem
Laboune, et Armel Descamps, avec eux, nous nous sommes retrouvés et su créer des amitiés qui,