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Fabrication technologies

Materials processing

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Qualité de fabrication • Matériau/Couche

– Absorption, indice, propriétés optiques… – Porosité, rugosité, dureté, thermique, … – Stabilité (thermique, méca, humidité…). – Affinité physico/chimique avec le substrat (adhérence,

contraintes..). – Epaisseur: précision, homogénéité (dim & n). – Rugosité de surface. – Reproductibilité.

• Guide 3D/Motifs diffractifs – Symétrie optogéométrique. – Rugosité, définition. – Valeur, distribution, profil, homogénéité d’indice. – Couplage avec la fibre optique. – Stabilité de la structure. 2

Materials and processes

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Materials

Cristals

Glasses

Polymers

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KTP

Phosphate de

Potassium

titanyl Doublage YAG

Semi-conductors Si, GaAs, Ge, Csi, …

Cristaux YAG Y3Al5O12

Ytterbium Aluminium Grenat Dopé Néodyme: Nd:YAG (inversion population) Laser @ 1064µm

Niobate de Lithium LiNbO3 ElectroOptic, AcoustoOptic )(EfP

Calcite CaCO3 Birefrigent

Matériau massif; croissance épitaxie. Attaque plasma ou chimique. Dopage par implantation/diffusion ionique. 5

Verres Un verre est un solide non-cristallin présentant le phénomène de transition vitreuse.

Silice

Quartz (UV)

Verres d’oxyde: Visible, proche IR (< 2µm) SiO2, GeO2, TiO2, … Indice ≥ 1.45 (sauf Verres poreux) Chalcogénures: Moyen IR (1-2µm 20µm) Se, Te, S, … Indice # 2 - 3 + Cd, Ga, As, Ge, …

(Verres métalliques?) Le verre est un solide qui présente le désordre d’un liquide.

Matériau massif; couches déposées par évaporation, CVD, Sol-Gel; oxydation thermique. Attaque type plasma, RIE, usinage ionique ou chimique (acide fluorhydrique HF).

Dopage pat implantation, diffusion ionique ou durant la CVD.

Fusion Vitrification

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Verre massif et fibre optique

Fusion du sable à 1500°C Fibrage Préformation

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Procédé Sol-Gel

Hydrolyse: Si-(O-CH2-CH3)4 + 4H2O Si-(OH)4 + 4(H-O-CH2-CH3)

Condensation: Si(OH)4 + Si(OH)4 (OH)3-Si-O-Si-(OH)3 + H2O

Obtention d’une solution contenant des nanoparticules.

Solution partiellement condensée.

Condensation poursuivie lors du dépôt (Spin/Dip coating) et terminée lors du recuit (100°C) par évaporation des solvants (eau, alcools).

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Polymères

Propriétés ajustables: Imperméable, poreux, résistance au feu, corrosion, anti-adhésion, … Applications variées: Emballages, isolants, conteneurs, joints, revêtement, …

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Mécanismes de polymérisation

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Fabrication process principle

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Lithography

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Deposition techniques

Vapor phase deposition

Epitaxy

Coating

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Metal & glass deposition 𝑃 ∗ 𝑉 = 𝑛. 𝑁𝐴. 𝑘𝐵. 𝑇

Sputtering (Plasma ;Ion-beam ; Reactive ions; …) Electrodes

Performance Evaporation Sputerring CVD

Speed

Homogeneity

Damage

Materials

Thermal Evaporator (eBeam, …) CVD: Chemical vapor deposition Plasma ;Ion-beam ; Reactive ions; …

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Crystal deposition: epitaxy

Diamond structure (8 atoms per tile): C, Si, Ge, … Tile matching

Blend diamond : GaAs, InP, AlAs, SiGe, …

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Molecular beams epitaxy (MBE) Coils heat the elements

→ sublimation, evaporation

Ultra high vacuum (10-8 Pa) → minimize impurity level

(no carrying gas)

Long mean free path atoms → non interacting beams

Low deposition rate (1µm / h)

→ epitaxial layers (monolayers)

Cryo → wafer cooling and impurity sink

Wafer temperature

→ elements reaction

Electron diffraction → layer formation monitoring

Mass spectrometer

→ composition analysis

Resin & polymer deposition: spin coating & 1 2 3 4 Arrêt Accélération Consigne Arrêt Dépôt Ejection Etalement Evaporation Stabilisation

1 2 3 4 Vitesse Arrêt Consigne Décélération Arrêt Trempage Stabilisation Dépôt Evaporation Ejection

… dip coating

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Patterning

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UV exposure: Mask & Laser Electron beam

Ion beam, diffusion, … Interference

Mask aligner

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Laser lithography

laser YLF

module acousto-optique

ordre 0

ordre 1

miroirdichroïque

miroir

micro-trou

visible réfléchi miroir

x

y

PC

PC

webcam

PC

lentille

diaphragme

lentille

lentille

platine de micro-déplacements

Advantages over lamp:

•No mask. •Single wavelength. •High directivity (aspect ratio, depth of focus). •High resolution. •High power density. •Fast prototyping.

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Electron beam lithography: •Special resin sensitive to e-beam irradiation •Polymer type (PMMA, ZEP…) •Electrons (20-100 keV) break the long polymer chain •Selective dissolution depending on exposure

le # 5pm @ 20kV

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Grating exposure

… or direct beam writing 22

0.00E+00

5.00E-07

1.00E-06

1.50E-06

2.00E-06

0 20 40 60 80 100 120 140

Temps (s)

Pu

issa

nce

d

iffra

cté

e (W

)

Grating formation monitoring

Implantation/Echange/Diffusion ionique

+ Al inDiffusion

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Etching

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Etching (Gravure, Attaque)

26

Results & tests

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Fabrication process (organomineral)

4

RECUIT 110°C

28

1 SYNTHESE

H

H

H

3

LITHOGRAPHIE

R

DEPOT 2

+ H2O

Fabrication results (organometallic)

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Pigtailing & Packaging Cut, polish, ribbon Align, glue Package

30

Circuits testing

Observation du profil d’intensité en sortie.

Mesure de la puissance (pertes: couplage, propagation,

courbure). Étude de la fonction réalisée,

analyse spectrale, en polarisation … 31

Bent waveguide radiation coupling

0,00E+00

5,00E+04

1,00E+05

1,50E+05

2,00E+05

2,50E+05

1,00E-031,50E-032,00E-032,50E-033,00E-033,50E-034,00E-034,50E-035,00E-035,50E-036,00E-03

Pe

rte

s (

dB

/m)

Rayon de courbure (m)

1.31

1.55

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Bending vs Technologies

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Bent waveguide propagation loss

zP

zdPzPr

)(

dzzP

zdP.

zPzdP

dz )exp(0 zPzP

Pertes relatives

Pertes relatives par unité de longueur propagée

Coefficient d’atténuation

Puissance propagée

R

qdkqdkk

d

qddkdq

cladding

claddingeguided

xx

x

x

l

mod_2exp.

2²cossin

21

2

/exp2

²cos²/

Expression du coefficient d’atténuation (mode fondamental)

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Straight & bent waveguides

P = 1,8509 x L + 1,4303

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Longueur (cm)

Pert

es (

dB

)

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Power dividers

Y junction 1x2

Star coupler 1x16

MMI 1x32

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WDM outputs

Guide(s) d’entrée

Coupleur

d’entrée

Réseau

déphaseur

Coupleur de

sortie

Guides de

sortie

l1

l2

l3

l4

37

MMI sensor

Measurand

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