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Microsystèmes Optiquesau sein du PFM

Tarik BOUROUINA

Laboratoire ESYCOM, EA 2552ESIEE, Ecole Supérieure d’Ingénieurs en Electronique et Electrotechnique

Quelques Travaux menés au sein du PFMsur les « Microsystèmes Optiques »

Micro-Optique - Micro-lentilles par gravure 3D du silicium (ESIEE)- Micro-lentilles en résine (IEF)- Lithographie à niveau de gris (IEF)

Nanophotonique- Cristaux photoniques par gravure DRIE (IEF – ESIEE)

MEMS Optiques- Matrices de commutateurs Optiques (ESIEE – IEF)- DBR Verticaux et cavités accordables (ESIEE)- Electronique de Commande de Micro-miroirs (IEF)

Enseignement

- Module « MEMS Optiques et RF », DEA SC, ESIEE/CNAM/UMLV

- Module « Nanophotonique », DEA NMEC, UPS Orsay

- Module « Optical MEMS », Master of Science MEMS, ESIEE/NTU-Singapour

I – Les MEMS Optiques

Matrices de Commutateurs OptiquesT.Bourouina (ESIEE) E.Dufour-Gergam (IEF)

Travaux initiés au LIMMS, Université de Tokyo

Permalloy en couche mince et microbobines en cuivre Thèse d’Anne-Lise COUTROT, IEFStage de fin d’études de Fabrice CANET, ESIEE

Matrices 1 x N de Commutateurs OptiquesMatrices de Miroirs Verticaux et Guides de Fibres Auto-Alignés

Matrices N x N

Matrice de micro-miroirs verticauxMatrice de micro-bobines

Tests d’actionnement magnétique des micro-miroirs

Test d’actionnementréalisé au moyend’un aimant de 2 mm de dimension caractéristique

L. Houlet, H. Helin, T. Bourouina, G. Reyne, E. Dufour-Gergam, H. Fujita, IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, (2002).

D.B.R. Verticaux & ApplicationsT.Bourouina, B.Saadany et F.Marty (ESIEE)

DBR : Distributed Bragg Reflectors

Alternances de murs Si-air-Si-airFabrication en une étape par DRIEPlanéité de miroirs amélioréeCavités cascadées accordablesCourbures contrôlées (cavités stables – lasers)Hybridation de composants Plateformes optiques silicium

II – La Nanophotonique

Cristaux Photoniques en SiliciumJ-M. Lourtioz (IEF), F.Marty (ESIEE)

Développement de procédés technologiques pour dimensions ultimesTrous de 0,2 µm de diamètre espacés de 0,3 µm ( profondeur de 5 µm )Gravure DRIE ICP-RIE procédés Bosch et cryogénique

Cristaux Photoniques en SiliciumJ-M. Lourtioz (IEF), F.Marty (ESIEE)

Structures de bandes d’énergie calculéesmode TMmode TE

Reflectivités mesurées(modes TE et TM)

Thèse IEF de Sylvain DAVID

A. Chelnokov, S. David, K. Wang, F. Marty, JM. Lourtioz, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. Déc. 2002.

III – La Micro-Optique

200 µm200 µm

50 µm50 µm50 µm

Institut d’Electronique FondamentaleDépartements PTP et AXIS

2ème journée PFM 20/11/03

Photocapteurs

Rétine intelligenteConcentration du flux lumineux sur les photocapteurs par des microlentillesProcédé : photolithographie UV et fluage thermique de résines épaisses sur le circuit

pré-procéssé et passivé

tD r

h

( ) hDhr 24/22 +=( ) 6/43 22 Dhht +=

J-P. Grandchamp, A.Dupret, E.Dufour-Gergam (IEF)

LentillesDiamètre : 40 µmPas de la matrice : 50 µm

Institut d’Electronique FondamentaleDépartement PTP

Structuration tridimensionnelle de surfacesE.Dufour-Gergam, J-P. Grandchamp (IEF)

Gravure sèche anisotrope

TRANSFERT PAR MICROMOULAGE

Dépôt d'unecouche d'amorçage

Elimination de la résineSéparation du film métallique

Croissance électrolytique du métal

Silicium

Répliques en cuivre

LITHOGRAPHIE A NIVEAUX DE GRIS

Développement

Résine photosensible

Insolation partielle à traversun masque à niveaux de gris

AZ 4562 ; 40µmTRANSFERT PAR GRAVURE

2ème journée PFM 20/11/03

Le Procédé MEMSNAS de gravure 3DT.Bourouina et F.Marty (ESIEE)

Travaux initiés au LIMMS, CNRS/Université de TokyoMEMSNAS: Microloading Effect for Micromachining 3D Structures of Nearly All Shapes

PROCESSFLOW

DESIGN

Masque: Matrice de trous

Résultat du procédé

- Procédé basé sur des outils conventionnels- Lithographie binaire suivie de gravure

Illustration : Fabrication d’une lentille

PROCESSFLOW

Evaluation de la rugosité

Pas = 30 µm

Pas = 40 µm

Pas = 10 µm

Mesures AFM

Rugosité < 25 nm peak-to-valley (λ/60 @ 1550nm)Suffisant pour la plupart des applications optiques

Caractérisations Optiques des Lentilles

Source Laser

Fibre lentillée

Détecteur

Tables 6DDL

Micro-lentille (D.U.T.)

Knife-edge

Table 2DDL

Méthode knife-edge

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-1

0

1

2

3

4

5

6

Balayage Knife-edge et profil de faisceau correspondant

f : Distance focale

Profilomètre Optique 3D

[ ][ ]{ } 21

2

λπλπ

π

OoOooO

oo

ZrRZrRZrf

+−=

Zo=πnro2/λ

ro et Ro: Rayons des faisceuax incident et transmis (gaussiens)

Resultats : f = 2 mm (Lentilles de φ = 375 µm t=10 µm)

Contrôle des formes 3D:Nécessité de Calibration du Procédé

Relation non linéaire:Profondeur Diamètres des trous

Conception

Fabrication

Caractérisation

REGLES DE DESSIN

Calibration PrimaireStructures de test

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Micro-hole diameter (micron)

Etch

ed d

epth

(mic

ron)

Sample 1 - DRIESample 2 - RIESample 3 - HNA

)1( +Φ= bLogaz

Marches d’escalier

T.Bourouina, T.Masuzawa, H.Fujita. IEEE Journal of MEMS, A paraître, Février 2004

Annonce de Conférence à l’ESIEE

20-21 Octobre 2004 ESIEE, Noisy-le-Grand

Deadline pour soumission de résumé : 01 avril 2004

Nano Systems 2004 (EMN04)ASME European Micro and

http://www.asme.org/events/nanoeurope/call.shtml

Contact: t.bourouina@esiee.fr

Microsystèmes Optiquesau sein du PFM

Tarik BOUROUINA

Laboratoire ESYCOM , EA 2552ESIEE, Ecole Supérieure d’Ingénieurs en Electronique et Electrotechnique