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Chapitre I MOEMS POUR LES TELECOMs

Depuis quelques années, il est généralement admis que le silicium continuera de dominer le

marché des matériaux semiconducteurs en confinant les matériaux tels que le GaAs, l’InP et

leurs alliages ternaires et quaternaires à des niches bien spécifiques. Malgré leurs potentiels, les

matériaux III-V ont été longtemps limités par la mauvaise qualité des procédés de synthèse et

purification. Au début des années 1970, le développement rapide des techniques de croissance

épitaxiale, micro et nano technologies, et leur association, ont ouvert une nouvelle ère où les

hétérostructures semiconductrices et les objets de faible dimension sont épitaxiés avec un

contrôle atomique de la composition et du dopage. La fonctionnalisation des propriétés

électroniques et optiques par la croissance de matériaux multicouches a permis non seulement

d’améliorer les composants électroniques et optoélectroniques, mais aussi d’envisager

l’intégration des systèmes micro optoélectromécanique (MOEMS) pour la fabrication de

composants innovants.

Chap. I MOEMS pour les Télécoms

©Aldrice G. Bakouboula

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Chapitre I MOEMS POUR LES TELECOMs .................................................................... 3 I-1 Introduction .................................................................................................................... 5 I-2 Contexte de l’étude......................................................................................................... 5

I-2.1 Le besoin en canaux ITU ........................................................................................... 5 I-2.2 Désengorgement par le multiplexage en longueur d’onde......................................... 6 I-2.3 Positionnement de l’étude .......................................................................................... 7

I-3 Composants MOEMS .................................................................................................... 8 I-3.1 Généralité: principe, intérêt........................................................................................ 8 I-3.2 L’intérêt de l’actuation ............................................................................................... 9 I-3.3 Adéquation des MOEMS avec le marché .................................................................. 9 I-3.4 Défis technologiques ................................................................................................ 10

I-4 Filtres............................................................................................................................ 11 I-4.1 Résonateur Fabry-Pérot............................................................................................ 11 I-4.2 Etat de l’art sur les filtres accordables ..................................................................... 11

I-5 Laser à cavité Verticale émettant par la surface pour les transmissions longues distances ....................................................................................................................... 14

I-5.1 Structures VCSELs solides ...................................................................................... 15 I-5.2 Etat de l’art des VCSELs accordables émettant à 1,55 µm...................................... 17

I-6 Microtechnologies utilisées pour les composants accordables .................................... 21 I-6.1 La gravure Verticale................................................................................................. 21 I-6.2 La gravure latérale.................................................................................................... 22 I-6.3 Séchage des microstructures : séchage supercritique............................................... 23

I-7 Conclusion.................................................................................................................... 25 I-8 Bibliographie du chapitre MOEMS pour les Télécoms ............................................... 26



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I-1 Introduction

Les besoins de futurs systèmes de télécommunication en bande passante, et en particulier des réseaux de transmissions optiques, requièrent l’adoption de solutions innovantes et originales qui tirent avantage des récentes avancées dans les technologies optiques. La croissance rapide des systèmes multiplexés en longueur d’onde (de l’anglais WDM, wavelength division multiplexing) et la forte demande en terme de taux de transmission rendent nécessaire le développement de composants monolithiques à haut taux d’intégration et de reconfiguration, capable d’émettre, d’aiguiller et d’insérer un signal d’un canal vers un autre, d’accorder et d’ajuster le signal de sortie. Les technologies des systèmes micro opto électromécaniques (de l’anglais MOEMS, micro opto electro mechanical systems) sont potentiellement susceptibles d’améliorer la flexibilité et les performances de l’architecture de réseaux « tout optique » [1].

I-2 Contexte de l’étude

I-2.1 Le besoin en canaux ITU

Aujourd’hui, l’accroissement en volume des données échangées contraint les équipementiers et les opérateurs de télécommunications à chercher des solutions pour abaisser le coût des services et des équipements déjà déployés, tout en améliorant leur capacité en bande passante et la flexibilité des architectures réseaux. L’objectif visé est d’intégrer à moindre coût de nouvelles applications et services pour ainsi anticiper leur future évolution.

L’explosion du trafic aux nœuds des réseaux métropolitains qui, sur des distances de l’ordre de la centaine de kilomètres, connectant les utilisateurs vers d’immenses réseaux publics rapproche le goulot d’étranglement de l’abonné. Les difficultés soulevées pour la gestion de tels trafics se concentrent essentiellement sur la variété des services et la diversité des clients. Avec l’amélioration de la vitesse de transmission et la complexité accrue des réseaux, les opérateurs sont appelés non seulement à améliorer la qualité de l’offre de service, mais aussi, à délivrer de nouveaux types de services à haut débit vers les sites clients. L’enjeu est de trouver des solutions à moindre coût aux demandes sans cesse croissantes et variées de divers clients à travers des points d’accès localisés dans les entreprises, les universités, et les foyers.

La solution réseau choisie est l’intégration multiservice où les données, la voix, et les images sont transmises par fibre optique respectivement grâce aux les protocoles IP/SONET (de l’anglais, Internet Protocol/Synchronous Optical Network), ADSL (de l’anglais, Asynchronous Digital Subscriber Line), ATM (de l’anglais, Asynchronous Transfer Mode), et SDH (de l’anglais, Synchronous Digital Hierarchy). L’une des technologies au cœur de cette explosion de la bande passante est le multiplexage en longueur d’onde, le WDM. La solution multiservice met en œuvre des techniques de multiplexage en longueur d’onde [2], WDM (cf. Figure I-1). Compte tenu de la demande client, les composants pour le multiplexage en



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longueur d’onde employant des technologies de fabrication collective à bas coûts sont extrêmement attractifs pour la réduction des coûts d’installation des réseaux d’accès et d’investissement dans les réseaux optiques métropolitains MAN (en anglais Metropolitan Area Network), LAN (en anglais Local Area Network), et longues distances (en anglais Long Haul).

Figure I-1 : Exemple d’intégration multiservice sur une plateforme WDM1.

I-2.2 Désengorgement par le multiplexage en longueur d’onde

La technologie WDM permet d’absorber la croissance du trafic et de déployer

rapidement et aisément de nouveaux services en utilisant la capacité des infrastructures réseaux déjà en place. Cette technologie propose d’injecter plusieurs longueurs d’onde dans une même fibre chacune étant la porteuse d’un signal modulé (cf. Figure I-2).

Figure I-2 : Principe d’une liaison WDM/DWDM.

De plus, la flexibilité des systèmes d’insertion, de prélèvement, et d’émission, peut

adresser un canal donné vers une ligne optique. Un système d’architecture ouverte ou 1 http://www.cisco.fr symposium cisco 2003 “Infrastructures Metro Optiques’’



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multiservice permet ainsi à une variété de composants tels que les terminaux SONETs, les aiguilleurs ATMs, et les routeurs IPs d’être connectés.

I-2.3 Positionnement de l’étude Le besoin d’accroître le débit des autoroutes de l’information est devenu un enjeu stratégique avec l’explosion du trafic de données multimédias par le biais de l’Internet. Ainsi, la pénétration de l’Internet dans l’activité économique et l’arrivée massive du tout numérique dans les foyers ont placé ce besoin en bande passante au cœur des politiques d’expansion. La solution offrant le meilleur compromis entre la minimisation des coûts d’investissement et l’interopérabilité des systèmes est le multiplexage. L’enjeu d’importance consiste à produire et mettre sur le marché des composants agiles et fonctionnant autour de 1,55 µm capables d’émettre, de détecter, d’aiguiller, de régénérer, d’insérer ou de prélever le signal à des débits de plus en plus élevés sur un espacement entre canal de plus en plus réduit, 100 GHz (0,8 nm), 50 GHz (0,4 nm) et dans un avenir plus lointain 25 GHz (0,2 nm). L’intégration des microsystèmes sur ces composants apporte l’agilité recherchée qui, par un processus électromécanique, permet de moduler en 1 µs et sur une large gamme, la fonction optique. Ce type de composants est bel et bien en train de transformer les réseaux optiques. Dans ce cadre, il s’agit de remplacer, sur les composants à base de résonateur Fabry-Pérot, les miroirs de Bragg massifs par des miroirs micro-usinés composés d’Air et de semiconducteur. L’intérêt est double : une réduction du nombre de couches empilés nécessaires à l’obtention d’un miroir hautement réflecteur, et une intégration d’éléments déformables et mobiles en mesure de faire varier la longueur de la cavité résonante. Placée aux extrémités ou aux nœuds des liaisons optiques, l’intégration des technologies MEMS aux filtres et lasers verticaux à émission par la surface (VCSEL) répond à ces critères de flexibilité et d’agilité.

Dans cette perceptive, mes travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre de deux projets de recherches. Le premier est un projet national RNRT-MOUSTIC (Microsystème Optique poUr la SélecTIon de Canaux) et le second est un projet européen IST-TUNVIC (Micromechanical Widely Tunable VCSEL for WDM Telecommunication systems). Tous les deux visent à développer des composants optiques accordables par effet électromécanique pour le multiplexage en longueur d’onde à base de micro systèmes développés dans les filières InP. Pour le projet TUNVIC, il s’agit de développer un laser à cavité verticale émettant par la surface (en anglais VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser) opérant à 1,55 µm et accordable en longueur d’onde. Le projet MOUSTIC concerne le développement de filtres optiques Fabry-Pérot capables d’accorder de façon électromécanique la longueur d’onde entre 1,5 µm et 1,7 µm dans la fenêtre de transmission optique longues distances.

Dans le projet MOUSTIC, les partenaires impliqués dans la réalisation des filtres optiques sont le LEOM de l’Ecole Centrale de Lyon pour sa maîtrise des procédés de microtechnologies sur InP, Thales recherche et technologie (TRT) France pour la croissance d’hétérostructure InP/InGaAs pour les microsystèmes et les aspects intégration système et ATI optique pour la mise sur embase puis en module du filtre, et enfin le LPM à l’INSA de Lyon pour les aspects de caractérisation.



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Ces partenaires nationaux impliqués dans le projet RNRT-MOUSTIC, le sont aussi dans le projet IST-TUNVIC. Il s’agit du LEOM qui en plus de son savoir-faire en microtechnologie apporte au projet TUNVIC sa maîtrise de la reprise de croissance par la technique épitaxie par jet moléculaire sur des matériaux déposés par épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques (EPVOM). Le département de recherche et développement de Thalès, TRT-France, est chargé des aspect de mise en module de composants actifs. Quant au laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN) dont l’expérience dans la fabrication de matériaux lasers est reconnue, il réalise le miroir de Bragg tout semiconducteur, la couche active, la jonction tunnel par EPVOM (le demi VCSEL), et la localisation de l’injection électrique par implantation ionique.

I-3 Composants MOEMS Initialement destinés à la microélectronique, les procédés développés dans la filière silicium sont transférés vers les filières III-V, matériaux clés pour l’optoélectronique. De plus, la fabrication des microsystèmes électromécaniques (en anglais MEMS, micro electro mechanical systems) bénéficie pleinement de la maturité des procédés de fabrication collective de la microélectronique, ce qui réduit considérablement les coûts de fabrication. La maîtrise des procédés de gravure tels que la RIE (de l’anglais, Reactive Ion Etching) ou l’ICP (de l’anglais, Inductively Coupled Plasma) et de micro-usinage de surface ont permis d’augmenter respectivement le rapport d’aspect et la sélectivité des procédés. Ces progrès ont considérablement amélioré l’efficacité d’accordabilité électromécanique des membranes sous l’action d’une force électrostatique, les propriétés optiques, ainsi que les tensions de fonctionnement des composants mettant en œuvre la technologie des microsystèmes [3].

I-3.1 Généralité: principe, intérêt Le principal objectif des MEMS optiques/MOEMS est de développer des technologies pour les capteurs et des dispositifs accordables en vue de réaliser de nouveaux composants pour lesquels le niveau de contrôle, de réception, des performances, et de la flexibilité est accru. Les MOEMS apportent ainsi, aux composants classiques, la capacité de modifier ou de moduler le chemin de la lumière. La plupart des composants MOEMS agissent sur les grandeurs physiques telles que la réflexion, la diffraction ou la réfraction de la lumière. L’optique est aujourd’hui fortement utilisée dans le traitement de l’information, pour la génération, la manipulation, le guidage et la détection de lumière [4]. Dans cette perspective, les fonctions MOEMS sont mises à profit pour la manipulation de la lumière dans une, deux, ou trois dimensions [5]. La caractéristique, la plus attractive des MOEMS, est la possibilité offerte aux éléments optiques de se déplacer avec une grande précision et un temps de réponse inférieur à la milliseconde [6]. Les mouvements des MOEMS permettent une manipulation dynamique des faisceaux lumineux. Cette manipulation dynamique peut par ailleurs être mise à profit dans la modulation de l’amplitude ou de la longueur d’onde, l’introduction de retard temporel, la diffraction, la réflexion, la réfraction ou le réalignement spatial des faisceaux.



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I-3.2 L’intérêt de l’actuation

Les MOEMS permettent d’intégrer les fonctions d’accordabilité. L’actuation offre la possibilité à un composant unique de pouvoir opérer à volonté sur différents canaux de la grille ITU (de l’anglais, International Telecommunication Union). Un composant accordable unique peut ainsi seul remplacer plusieurs composants de la grille ITU. L’accordabilité peut être réalisée de plusieurs façons : elle peut être thermique, électro optique, et mécanique. Chacune de ces techniques d’accordabilité couvre une gamme croissante 3 nm par effet thermique, d’environ 10 nm par effet électro-optique, et potentiellement plusieurs centaines de nanomètre par effet mécanique. Les processus mis en œuvre pour obtenir l’accordabilité ont des temps de réponse compatibles avec les applications à hauts débits, puisqu’en effet leur durée de commutation est inférieure à la milliseconde [7].

Le temps de commutation entre deux canaux adjacents est typiquement de l’ordre de la microseconde pour les processus mécaniques, de l’ordre de la milliseconde pour les processus thermiques. L’accordabilité par voie thermique [8] est elle aussi basée sur la modification de l’indice de réfraction du matériau : en effet la température agit sur l’indice à travers l’énergie du gap et selon la statistique de Fermi-Dirac.

L’accordabilité mécanique sera au cœur de ce travail. Le chemin optique est modulé en variant la géométrie du dispositif à travers le déplacement mécanique d’une membrane. Cette voie est privilégiée, puisque le domaine d’accordabilité est potentiellement susceptible de couvrir continûment les bandes spectrales L (1,570 µm-1,625 µm) et C (1,525 µm-1,570 µm) réservées aux transmissions longues distances par fibre optique.

I-3.3 Adéquation des MOEMS avec le marché Les technologies MOEMS à base de cavité Fabry-Pérot développées au LEOM que nous comptons étudier s’insèrent dans cette perspective. Ces composants MOEMS accordables en longueur d’onde et monolithiques apportent aux réseaux optiques la flexibilité nécessaire à la réduction des coûts et à l’augmentation de débits [9]. Le remplacement d’une série de composants WDM par un composant MOEMS unique, capable de couvrir les bandes C et L, simplifie à la fois la gestion des protocoles et la maintenance, en réduisant les temps d’accès et de reconfiguration [10], tout en améliorant l’interopérabilité entre les plateformes optiques. Ces composants s’insèrent dans les systèmes OADMs (de l’anglais, Optical Add/Drop Multiplexing) pour prélever ou insérer sélectivement un canal d’une liaison WDM dans des architectures métropolitaines où le composant MOEMS est placé en série ou en cascade [11, 12].

Le flux d’information transmis vers la fibre optique est ainsi multiplié par le nombre de canaux multiplexés. Ainsi, si chaque canal du réseau DWDM 50 GHz est modulé à 10 Gbps (bps=bits par seconde) et que la ligne comporte sur les bandes L et C de la fenêtre de transmission de la fibre de silice 2x80 canaux, le débit des données multimédia (donnée, voix, image) atteint 1,6 Tbps (cf. Figure I-3).



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Figure I-3 : Distribution des canaux WDM des bandes L et C dans la grille ITU.

I-3.4 Défis technologiques Les difficultés particulières à l’intégration des technologies MOEMS, aux filtres et aux VCSELs accordables, sont la maîtrise de l’ingénierie des contraintes, des étapes de micro usinages et de séchages. Ces points critiques quant à la réalisation de filtres et VCSELs accordables proviennent de la difficulté de réaliser des résonateurs combinant un grand facteur de qualité, et pour les VCSELs une faible résistance thermique, et de maîtriser les procédés de microtechnologie ainsi que les contraintes dans les couches minces afin de maintenir les spécifications WDM (cf. Tableau I-1) lors de l’actuation. Ceux-ci demandent dans le cas des VCSELs d’adapter au mieux la position du mode de la cavité Fabry-Pérot et celle du maximum de la courbe de gain pour réduire le seuil de l’effet laser. Tableau I-1 : Différence entre les normes CWDM et DWDM2.

CWDM DWDM MAN MAN LAN

Espacement entre canaux >200 GHz (1,6 nm)≤2500 GHz ≤ 200 GHz ≤ 100 GHz Distance de transmission ~ 50 kms > 100 kms ≥ 160 kms Pertes d’insertion/ canal 2 dB < 1dB Taux de réjection > 30 dB > 25 dB > 25 dB Stabilité en λ 3 nm 0,01 nm 0,01 nm Applications ou topologie réseaux

Anneaux, point à point (PoP), réseaux passifs optiques, Hub Anneaux Anneaux,

PoP Amplificateur Non Non Oui Taux de transmission 10-100 Mbps 0,1-2,5 Gbps 10-40 Gbps Nombre de canaux 1-8ou16 4-64 32-160

2 Données des normes ITU-T G.692 et ITU-T G.694.2



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I-4 Filtres La technologie de micro usinage est une étape clé pour la fabrication des MEMS. Les premiers dispositifs ont été développés dans les années 1970 sur la filière silicium. Le micro usinage a rapidement atteint, autour des années 1990, le degré de maturité nécessaire pour la réalisation de démonstrateurs[13]. Les premiers filtres accordables à base de micro cavité opto mécanique ont été fabriqués par AT&T Bell Labs en 1994 sur la filière Silicium [14]. En raison de l’intérêt de ces systèmes pour la manipulation des systèmes optiques, les technologies de micro-usinage ont été transférées vers les matériaux III-V dont les caractéristiques et les propriétés optiques sont sans équivalent par rapport au silicium. En effet, sur cette filière, des composants passifs et actifs peuvent être intégrés sur une même plaque. Ce travail de transfert vers les matériaux III-V, en particulier sur le GaAs, est récapitulé dans les travaux de Hjort [15]. Dans ce contexte, les premiers dispositifs MEMS sur matériaux III-V apparaissent sur GaAs en 1995 avec Déhé et al [16].

I-4.1 Résonateur Fabry-Pérot Un filtre optique est avant tout un résonateur Fabry-Pérot composé de deux miroirs de Bragg séparés par une cavité résonante d’Air. Le miroir de Bragg est un empilement multicouche constitué d’une succession périodique de couches de haut et bas indice de réfraction. Les épaisseurs optiques de ces couches sont un multiple de λ/4. Sa réflectivité et la largeur de bande interdite de photon sont respectivement fonction du nombre de périodes et de la différence d’indice de réfraction. L’épaisseur de la cavité résonante est un multiple de λ/2. Les performances du filtre sont définies par la largeur de bande passante à -3 dB, l’espacement entre canaux et la gamme d’accordabilité. Toutefois, pour atteindre une largeur de bande passante à -3 dB inférieure à 100 GHz (0,8 nm), il est indispensable d’avoir des miroirs de réflectivité supérieure à 99%. Les miroirs de Bragg à forte différence d’indice permettent d’atteindre de telles réflectivités et d’obtenir de grande gamme d’actuation tout en limitant le nombre de période, ce qui réduit considérablement les temps d’épitaxie. L’accordabilité est réalisée en déplaçant, au moyen d’un champ électrostatique, la lame du miroir de Bragg supérieur adjacente à la cavité. Notons néanmoins que la réalisation de filtres compatibles avec les spécifications du WDM demande une maîtrise des procédés de micro usinage et d’ingénierie des contraintes (cf. Paragraphe I-6).

I-4.2 Etat de l’art sur les filtres accordables Les groupes travaillant à la mise aux points de filtres accordables à base de micro cavité Fabry-Pérot sont disséminés pour la plupart en Europe (Suède-KTH, Allemagne-TUD/Kassel, France-LEOM/LPM), en Amérique du Nord (USA-University of Stanford, Berkeley, cornell) et tout récemment en Asie (Japon-TITech). Deux approches sont identifiables : l’une consiste à tirer profit des matériaux à forte différence d’indice de réfraction sur les filières silicium ou GaAs pour la fabrication de miroir de Bragg de haute réflectivité et l’autre, que nous avons privilégiée, utilise des miroirs de Bragg MOEMS formés par un empilement multicouche de semiconducteur (InP) et d’Air (cf. Figure I-4).



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Figure I-4 : Approche monolithique InP/Air[28] et SiO2/TiO2 [18], Technologie de report

avec SiO2/Si et GaAs/AlGaAs[21]. Contrairement aux autres approches, celle que nous étudions est monolithique, et tire avantage des techniques de fabrication collective pour réduire les coûts de fabrication inhérents à l’utilisation des technologies de report (en anglais, Flip-Chip). Les coûts de production sont ainsi reportés, dans le cas des technologies monolithiques, en grande partie au niveau de la mise en boîtier (en anglais, packaging). Les matériaux identifiant chacune des filières permettent de diminuer le nombre de couches nécessaires à la réalisation de miroirs de Bragg de haute réflectivité. Une grande différence d’indice permet de réduire substantiellement le nombre d’empilement pour une même réflectivité (cf. Tableau I-2). Tableau I-2 : Réflectivité des différents miroirs de Bragg, calculé sur un substrat InP selon

l’équation III-2 pour θ=0. Matériaux Indice ∆n Réflectivité Nombres d’alternances

InGaAsP(1,4µm)/InP 3,43/3,167 0,263 99,9% 52 InGaAlAs/InP 3,5/3,167 0,333 99,9% 41,5

InGaAlAs/InAlAs 3,5/3,2 0,3 99,9% 46,5 GaAs/AlAs 3,37/2,9 0,47 99,9% 27,5

GaAlAs/AlOx 3,1/1,55 1,55 99,9% 5,5 GaAlAs/GaAs 3,1/3,37 0,27 99,9% 49,5 InGaAs/AlAs 3,58/2,9 0,68 99,9% 19,5 InGaAs/InP 3,58/3,167 0,413 99,9% 34

InP/Air 3,167/1 2,167 99,9% 3 Si/SiO2 3,42/2,01 1,41 99,9% 7,5

SiO2/Si3N4 2,01/2,54 0,54 99,9% 17 TiO2/SiO2 2,71/2,01 0,7 99,9% 13

Bien que les miroirs de Bragg MOEMS InP/Air présentent la meilleure différence d’indice, la réalisation de dispositifs reste extrêmement sensible à la qualité des technologies et exige une excellente maîtrise des procédés de fabrication. C’est pourquoi, les premiers filtres ont été fabriqués à base de miroirs de Bragg diélectriques (TiO2/SiO2 et Si/SiO2) au moyen de technique de dépôt chimique assisté par plasma (CVD) [17, 18].



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Les filtres développés jusqu’à récemment relèvent de deux logiques, l’une consistant à minimiser le temps de développement en séparant l’optimisation du miroir actuable et du miroir fixe. Il s’agit de l’approche « Flip-chip » privilégié par Aziz et al du TUD de Darmstadt, Allemagne, où deux composants passifs sont assemblés pour réaliser la fonction de filtrage après avoir été fabriqués sur deux substrats distincts [19]. La réalisation d’une cavité stable est ainsi facilitée puisque la courbure du miroir déformable peut être optimisée indépendamment du miroir fixe. Très rapidement, cette équipe du TUD s’est orientée vers une actuation électrothermique. Selon Peerlings et al, les tensions de polarisation appliquées restent faibles comparativement à la puissance thermique dissipée (26 mW à 2,7 Volts). L’efficacité d’actuation atteinte pour les membranes (bras de 150 x120 µm²) est de 150 nm/mW contre 3 nm/V pour l’actuation électrostatique (103 nm à 35 Volts) [20]. L’optimisation des techniques de micro-usinage en volume, des techniques d’assemblage passif, et de l’actuation thermique leur ont permis de réaliser des filtres DWDM accordables grâce à une technologie de report à base de miroir de Bragg InAlGaAs/InAlAs sur substrat d’InP[21] et AlGaAs/GaAs(14,5 périodes)-InGaAs/AlGaAs(5 périodes) sur substrat de GaAs [22]. Les performances respectives en actuation sont de 30 GHz (0,24 nm) de largeur de bande passante à -3 dB accordable sur 40 nm et de 15 GHz (0,12 nm) de largeur de bande passante à -3 dB accordable sur 54 nm. L’autre solution est une approche monolithique dont l’objet essentiel est la réduction des coûts de production qui passe par automatisation des procédés de fabrication et la réduction des tailles. Dans l’approche monolithique, l’actuation électrostatique est privilégiée par rapport à la voie électrothermique. En effet la faiblesse des coefficients de dilatation thermique des matériaux III-V demande la fabrication de puces de grandes tailles permettant d’intégrer aisément les éléments chauffant. Par ailleurs, cette solution ne présente pas de grande efficacité d’actuation lorsque le taux d’intégration est fort. La forte différence d’indice de la filière GaAs est exploité pour la fabrication de miroirs de Bragg solide de haute réflectivité par des techniques de dépôts de couches minces par épitaxie par jet moléculaire (EJM) ou épitaxie en phase vapeur d’organo métalliques (EPVOM). Tayebati et al ont très largement exploré cette filière par la réalisation de filtre à base de miroirs de Bragg solide AlGaAs/AlAs [23] ou AlOx/AlGaAs [24]. Le filtre de Tayebati est constitué de deux miroirs de Bragg solide et d’une cavité résonante d’Air accordée électromécaniquement. Le miroir supérieur est suspendu par 4 ou 2 bras au dessus de la cavité d’Air réalisée par micro usinage de surface de résine. Ces premiers composants WDM monolithiques ont une bande passante à -3 dB de 59 GHz (0,47 nm) accordable sur une plage de 70 nm pour 50 V appliqués. Dans la même filière matériaux, Mateus et al de Berkeley proposent un nouveau concept de filtre accordable pour lequel l’actuation électrostatique est basée sur un mouvement en torsion d’un bras de levier. Cette approche permet de s’affranchir de la limite d’actuation d’un tiers de la cavité. L’actuation est réalisée par le déplacement en torsion d’un bras de levier, elle est de 100 nm lorsque la tension évolue entre 18 Volts à 22 Volts [25]. Par ailleurs, Koyama et al du « Tokyo Institute of Technology » proposent d’utiliser la différence entre les coefficients de dilatation thermique du GaAs et du AlGaAs pour réaliser une actuation électrothermique. Ce filtre monolithique est actué sur 22 nm pour une variation de température de 50 K[26, 27].



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Ce n’est que récemment que les filtres accordables à base de micro cavité sont apparus dans filière InP. Le LEOM à l’ Ecole Centrale de Lyon a développé, en étroite collaboration avec le LPM, des filtres monolithiques à base de miroirs de Bragg InP/Air sur substrat InP [28,

29]. Dans cette même filière, Chitica et al ont réalisé au KTH, Suède, un filtre InP hybride formé, pour le miroir de Bragg inférieur, d’alternance InP/InGaAsP et d’un miroir de Bragg supérieur diélectrique composé d’alternances Si/SiO2. La couche sacrificielle d’InGaAs est éliminée par micro usinage de surface. Les performances obtenues sont une largeur de bande passante à -3 dB de 1250 GHz (10 nm) et une plage d’actuation de 45 nm pour 40 Volts. L’approche tout InP/Air qui exploite la meilleure différence d’indice de réfraction (2,17) et une sélectivité totale de la solution de gravure entre l’InGaAs et l’InP [30] est suivie par une équipe de l’IMA à Kassel, Allemagne en collaboration avec le KTH en Suède. Cette équipe a développé des procédés pour rendre plus robustes les filtres InP/Air aux étapes de microtechnologies, et a ainsi considérablement augmenté l’efficacité d’actuation [31]. Néanmoins, il reste difficile de réaliser des filtres atteignant des performances compatibles avec la conception optique. Cela est du à la forte sensibilité des miroirs InP/Air au micro usinage, à la croissance épitaxiale, à la gravure verticale, et à la gestion des contraintes dans les couches minces [32].

I-5 Laser à cavité Verticale émettant par la surface pour les transmissions longues distances

En 1977, Iga du « Tokyo Institute of Technology » propose pour la première fois de réaliser un laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL). L’originalité du dispositif laser proposé consiste à faire croître dans la même direction de croissance en une seule étape épitaxiale, le résonateur et le milieu amplificateur. Cette approche met à profit les techniques de croissance épitaxiale pour réaliser une cavité monomode dont l’épaisseur est de l’ordre de la longueur d’onde (cf. Figure I-5).

Figure I-5 : Schéma de principe d’un laser à cavité verticale émettant par la surface. Extraite de la référence [33]



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Pour ce faire, le résonateur est réalisé grâce à des miroirs de Bragg distribués. Les longueurs de cavité résonante étant de l’ordre de la longueur d’onde de l’émission laser, il est alors impératif de disposer de miroirs à très haute réflectivité (>99,8%) pour atteindre le seuil d’oscillation laser comparable à celui des lasers émettant par la tranche. Toute la difficulté de ce type de dispositif consiste donc à réaliser des miroirs distribués de très haute réflectivité et faiblement absorbant. L’obtention de ces critères de qualité demande une maîtrise de la croissance en accord de maille, en particulier, une maîtrise des interfaces et un excellent contrôle des épaisseurs des couches quart d’onde. De plus, il faut disposer de matériaux à forte différence d’indice dans la même filière que celle du substrat afin d’abaisser le nombre d’empilement nécessaire pour atteindre un pouvoir réflecteur supérieur à 99,8%. Les avantages de ce type de laser par rapport aux lasers émettant par la tranche sont de plusieurs ordres [33]. Parmi les plus importants, on trouve :

(i) Bas niveau du seuil laser induit par le faible volume de la couche active.

(ii) Relative insensibilité de la longueur d’onde de l’émission laser et du seuil à la température.

(iii) Grande fréquence de modulation et grand rendement quantique. (iv) Fabrication monolithique compatible avec les technologies de micro

usinage. (v) Réalisation des tests sur plaque directement sur les composants discrets

avant séparation et montage ce qui permet de réduire considérablement les coûts de mise en module.

(vi) Grande efficacité de couplage à une fibre optique due à un excellent recouvrement entre les modes de la fibre et du laser [34].

Ces avantages font de ce type d’émetteur des composants extrêmement attractifs pour l’industrie. Les coûts liés à leur production sont réduits comparativement aux lasers émettant par la tranche pour lesquels le couplage à une fibre optique et la mise en module sont délicats.

I-5.1 Structures VCSELs solides Ce n’est qu’en 1979 que le premier démonstrateur est publié [35]. Ce VCSEL dont le milieu amplificateur est formé d’InGaAsP en accord de maille sur l’InP présente à 1,3 µm une émission laser à la température de 77 K en régime d’injection impulsionnel avec un courant seuil de 900 mA, soit un courant seuil de 44 kA/cm². Cette valeur élevée du courant seuil est due à deux facteurs, d’une part l’utilisation de miroirs métalliques fortement absorbants dans l’infrarouge et d’autre part à l’absence de localisation du courant injecté. Dés 1987 le premier VCSEL émettant aux petites longueurs d’onde (0,98 µm) et fonctionnant en régime d’injection électrique continu à température ambiante est fabriqué sur substrat GaAs par Koyama à base de miroirs diélectriques [36, 37]. A contrario, la réalisation de VCSELs pour les grandes longueurs d’onde fonctionnant en régime d’injection continue reste difficile à obtenir du fait des pertes électriques par effet Auger. Celles-ci sont plus importantes à de forte densité de courant pour les couches actives émettant à 1,3 µm ou 1,5 µm. Les pertes électriques par effet Auger augmentent fortement la densité de courant seuil. De plus, pour les lasers destinés aux transmissions longues distances émettant à 1,3 µm



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ou 1,55 µm, il existe peu de matériaux à forte différence d’indice permettant la fabrication de miroirs distribués de très haute réflectivité et faiblement absorbant. Ces deux aspects expliquent le retard pris pour la fabrication des VCSELs à grande longueur d’onde. Le premier résultat significatif a été obtenu à 1,3 µm en 1991 par Wada et al en régime d’injection électrique impulsionnel à température ambiante[38] puis en 1993 par Baba et al en régime d’injection continu à une température quasi ambiante (-57°C) [39] en associant à une couche active InGaAsP/InP deux miroirs diélectriques. De plus, en 1992, Tadokoro et al [40] enregistrent les premiers une émission laser à 1,5 µm en régime d’injection électrique impulsionnel à température ambiante avec un courant seuil de 21 kA/cm² sur un dispositif formé de miroirs distribués InGaAsP/InP (1,4 µm) et diélectriques. Bien que les progrès enregistrés dans la fabrication ont permis dés 1993 d’abaisser le courant seuil de l’émission laser à 3,0 kA/cm² à 77 K et 47 kA/cm² à 297 K pour les VCSELs formés de miroirs diélectriques, une approche alternative consiste à coller autour d’une couche active d’InGaAsP en accord de maille sur l’InP de deux miroirs semiconducteurs GaAs/AlGaAs fabriqués sur substrat GaAs. Cette approche a permis en 1995 à Babic et al de réaliser le premier VCSEL émettant à 1,55 µm en régime d’injection électrique continu[41] et d’atteindre un courant seuil record de 2,5 kA/cm². La réduction de l’absorption optique par porteur libre dans le miroir semiconducteur, le confinement des porteurs dans la couche active ainsi que l’uniformisation de l’injection électrique par oxydation latérale ont permis d’améliorer cette technique de collage et d’obtenir une émission laser jusqu’à 85°C [42]. L’utilisation du collage hétéroépitaxial reste une technique coûteuse car la fabrication du VCSEL nécessite l’emploi de deux substrats et ne s’applique qu’à de faible surface. De plus, la complexité des procédés de fabrication et la chute importante de tension à l’interface de la soudure font que cette technique de collage est inadaptée pour les applications bas coûts. Dès lors de nombreuses équipes se sont orientées vers le développement de solution monolithique utilisant d’une part des miroirs formés de couple de matériaux accordés en maille sur l’InP et d’autre part une combinaison de miroirs de Bragg diélectriques et semiconducteurs. La plupart des équipes ont privilégié la deuxième approche [43] pour les VCSELs à grande longueur d’onde afin de bénéficier de la grande conductibilité thermique des matériaux diélectriques. Utilisant des miroirs InGaAs/InAlAs et diélectriques (MgF2/a-Si), la société Vertilas3, issue de l’essaimage du « Walter Schottky Institute », Munich, Allemagne, réalise un VCSEL émettant à 1,55 µm en régime d’injection électrique à travers une jonction tunnel enterrée à température ambiante [44]. Pour ce qui est de l’approche totalement monolithique, communément utilisé pour les VCSELs à courte longueur d’onde, ce n’est que récemment qu’elle est appliquée aux VCSELs à grande longueur d’onde. En effet, Kazmierski et al ont réalisé en 1998 un VCSEL entièrement monolithique, employant des miroirs de Bragg InGaAlAs/InAlAs accordés sur InP, opérant à 1,56 µm en régime d’injection électrique impulsionnel à température ambiante jusqu’à 55°C [45]. Très rapidement, en 1999, en utilisant un miroir constitué d’InP/InGaAsP et un miroir métamorphique GaAs/AlAs, Boucart et al réalisent un VCSEL monomode émettant à 1,55 µm opérant via une jonction tunnel en régime d’injection électrique continue à température ambiante à jusqu’à 45°C avec un courant seuil de 1,7 kA/cm² [46]. De même, un VCSEL émettant à 1,55 µm en régime d’injection électrique continu a été obtenu en employant des miroirs semiconducteurs en accord d’AlGaAsSb/AlAsSb [47]. L’intérêt d’utiliser une approche monolithique par rapport à celle exploitant le collage hétéroépitaxial [48] est

3 http://www.vertilas.com/



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double : elle permet de réduire d’une part les pertes optiques dans la cavité et d’autre part la tension de fonctionnement du laser par l’intégration d’un contact électrique enterré, une jonction tunnel, ce qui diminue considérablement la résistance série de l’ensemble de la structure laser. C’est en 2001 que Chitica et al réalisent un VCSEL à grande longueur d’onde constitué intégralement de miroir de Bragg tout InP/Air. L’effet laser est obtenu en régime d’injection optique continu à température ambiante avec une puissance de pompe de 370 W/cm2 soit en équivalent courant de 0,4 kA/cm². Le VCSEL fonctionne à 1,56 µm et délivre une puissance de 110 µW [49].

Peu de sociétés industrielles sont impliquées dans le développement de VCSELs à 1,3 µm et 1,55 µm. Parmi elles, Honeywell™4 impliquée depuis 1996 dans la production massive de VCSELs à courte longueur d’onde développe activement depuis 2001 des VCSELs monolithiques fonctionnant à 1,3 µm et 1,55 µm [50]. De plus en plus d’acteurs de l’industrie traditionnelle des Télécoms tels que Infineon™, Emcore™… travaillent aux transferts des VCSELs à grandes longueurs d’onde vers les unités de production [51].

I-5.2 Etat de l’art des VCSELs accordables émettant à 1,55 µm

Le premier VCSEL accordable est obtenu en 1994 par Fan et al de l’université de Californie par effet électrothermique. L’actuation est réalisé sur 10,1 nm grâce à une couche métallique enterrée [52]. L’activité de recherche sur les VCSELs accordables à base de microsystèmes débute en 1994 à l’université de Californie, USA, avec les équipes de Chang-Hasnain [53] puis d’Harris [54]. Jusqu’en 1994, les recherches sur les sources accordables portaient essentiellement sur les dispositifs à cavité externe (depuis les années 1970) puis au début des années 1980 sur les lasers DFB (distributed feedback) au Bell Labs [55, 56]. La première approche présente des coûts d’assemblage élevés. Pour la deuxième approche, la plage d’accordabilité des lasers DFB reste restreinte et l’accordabilité est discontinue. Néanmoins, le développement de configurations exploitant l’effet Vernier et des miroirs composés de plusieurs éléments parviennent à atteindre des plages d’accordabilité record de 72 nm grâce à l’utilisation de coupleurs codirectionnels assistés par réseau ou jonction Y [57]. La caractéristique d’actuation de ces lasers DFB formés de miroir de Bragg à multi sections est extrêmement difficile à contrôler, puisque le courant d’injection et la température changent avec la longueur d’onde d’émission. De plus, la longueur d’onde d’émission varie avec l’âge du dispositif. La discontinuité du schéma d’actuation et la complexité du contrôle en longueur d’onde font que la connaissance précise de la longueur d’onde d’émission est critique. Les récents développements sur les technologies MEMS permettent d’envisager l’introduction d’un miroir mobile capable de moduler mécaniquement la longueur de la cavité résonante afin d’une part d’exploiter leur grande plage d’accordabilité continue, et d’autre part de simplifier la fabrication et réduire les coûts inhérents à la production de lasers accordables. La qualité principale des lasers accordables à base de MEMS est la continuité, l’absence d’hystérésis, et la stabilité de la caractéristique d’actuation qui permet dans les systèmes de transmission de bien se caler au centre d’un canal de transmission sans introduire

4 http://www.honeywell.com/



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d’effet d’interférence avec d’autres canaux lors de l’activation et de l’aiguillage d’un signal optique large bande. L’intégration monolithique des technologies MEMS et des VCSELs combine avec succès le meilleur des deux technologies et apporte aux lasers d’importantes plages d’accordabilité. La maturité des procédés de fabrication des VCSELs aux courtes longueurs d’onde d’émission explique pourquoi les premières structures VCSELs monolithiques et accordables exploitant une accordabilité électromécanique sont apparues. Deux conceptions ont permis de faire en 1995, la preuve quasi simultanément de l’intégration des MEMS aux structures VCSELs en régime d’injection électrique continu aux courtes longueurs d’onde (~0,98 µm). Un premier dispositif fabriqué par l’équipe de Chang-Hasnain à Berkeley, où l’actuation électromécanique est basée sur le déplacement d’un miroir de Bragg Al0.6GaAs/Al0.1GaAs (cf. Figure I-6.b), est accordé sur 15 nm [58]. De plus, un deuxième dispositif, réalisé par l’équipe d’Harris à Stanford, permet dès 1995 en émission spontanée de valider l’accordabilité mécanique sur une plage de 31 nm [59]. L’actuation est cette fois-ci induite par une membrane GaAs suspendue par 4 Bras au dessus duquel est déposé un miroir diélectrique SiNxHy/Au (cf. Figure I-6.a). Puis en 1996, ce même dispositif est accordé sur une plage de 15 nm sous émission laser [60]. Ces deux équipes ont très rapidement amélioré leur approche respective. La plage d’accordabilité atteinte est de l’ordre de 30 nm [61]. De plus, la réalisation d’un confinement électrique par oxydation d’une couche d’AlAs et l’utilisation de miroir plus réflecteur ont permis de diminuer le courant seuil de l’émission laser (<1mA) [62].

(a) (b)

Figure I-6 : Schéma de principe des VCSELs accordables à base de MEMS (a) présenté

par l’équipe d’Harris de Stanford, (b) par l’équipe de Chang-Hasnain de Berkeley.

Les deux configurations précédentes ont par la suite été adoptées par deux « jeunes pouces », les sociétés Bandwith9™ et Coretek™. Coretek™ dont les activités ont été successivement acquises par Nortel™ puis Bookham™ exploite une approche développée par Harris et al (cf. figure I-7.b) [63], tandis que Bandwith9™ utilise celle développée par Chang-Hasnain et al (cf. figure I-7.a). Par ailleurs, l’approche de Chang-Hasnain est actuellement développée par Amano et al au « Tokyo Institute of Technology » où il exploite la différence entre les coefficients d’expansion thermique du GaAs et de l’AlGaAs pour déplacer le miroir de Bragg GaAs/AlGaAs et ainsi moduler l’épaisseur de la cavité d’Air de façon électrothermique. La gestion adéquate des couches quart d’onde et des contraintes dans les matériaux GaAs et AlGaAs permet d’abaisser la tension d’accordabilité et ainsi obtenir à 6,1 volts une actuation de 53 nm et 17,6 nm respectivement vers les basses et hautes longueurs d’onde de la structure [64].



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Les difficultés associées à la réalisation des miroirs de Bragg tout semiconducteur dans les matériaux en accord de maille sur l’InP ont limité le développement des VCSELs accordables jusqu’en 1999 selon les configurations précédentes. C’est uniquement en 1999 que Vakhshoori et al de la société Coretek™ réalisent un VCSEL accordable opérant en régime d’injection optique continu à 1,55 µm sur substrat InP. La structure VCSEL présentée sur la figure I-8.a est pompée optiquement par une diode laser (0,98 µm) à travers un miroir de Bragg inférieur soudé sur le substrat d’une structure épitaxiée. Celle-ci est formée d’un miroir diélectrique, d’une cavité d’Air accordable, et d’une cavité semiconductrice incluant des multi puits quantiques contraints d’InGaAsP dans des barrières d’InGaAsP. Le VCSEL émet en sortie une émission laser de 2 mW et est accordable sur 50 nm[65].

Figure I-7 : Image obtenue par un microscope électronique à balayage MEMS VCSEL

(a) VCSEL accordable Bandwith9™5 (b) VCSEL accordable Coretek™

Une approche analogue récemment développée à Darmstadt dans le cadre du projet

TUNVIC présentée sur la figure I-8.b utilise un miroir diélectrique concave reporté sur une structure épitaxiée formée d’un miroir de Bragg InGaAsP/InP et d’une couche active d’InGaAsP. Cette couche active est prévue pour fonctionner en régime d’injection électrique. L’injection de courant est réalisée par une jonction tunnel afin de minimiser la résistance série. La localisation du courant est réalisée grâce à une étape d’implantation ionique O+. Les premiers résultats obtenus montrent une émission laser à 1,55 µm de 0,5 mW en régime d’injection optique continu (laser 0,98 nm) avec une accordabilité électrothermique de 24 nm et une densité de puissance au seuil de ~2 kW/cm² [66].

Figure I-8 : VCSEL accordable à base de MEMS émettant à 1,55 µm (a) Coretek™ à pompage optique (b) « Flip-Chip » à pompage électrique

5 http://www.bandwidth9.com/



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La solution adoptée par la société Coretek™ pour produire des VCSELs accordables grandes longueurs d’onde à base de technologie MEMS reste non monolithique. Bien que le développement des miroirs diélectriques, de la couche active et du miroir concave peuvent être réduits grâce à une optimisation disjointe, les coûts de fabrication des solutions proposées par Coretek™ et Riemenschneider et al de Darmstadt ne sont pas compatibles avec une production en masse, seule capable de répondre à la forte demande en bande passante. L’objectif permanent étant de réaliser un VCSEL monolithique accordable dont la fabrication soit facile à mettre en œuvre, Bandwith9™ s’est orientée vers l’intégration de miroirs métamorphiques à la structure de la figure I-7.a. Cette approche consiste à épitaxier directement sur un substrat InP accordé en maille, des puits quantiques d’InGaAs/InGaAsP et des miroirs GaAs/AlGaAs dont la qualité est déjà démontrée par Goldstein et al [67]. Le VCSEL réalisé opère à 1,55 µm en régime d’injection électrique continu à température ambiante jusqu'à 55°C avec une puissance de 0,45 mW à 25°C, un courant seuil d’environ 1,5 kA/cm², et 60 nm d’accordabilité [68]. Par ailleurs, d’autres procédés de fabrication sont actuellement explorés. Il s’agit d’introduire des étapes d’implantation ionique H+, une jonction tunnel, et des miroirs de Bragg accordés en maille sur l’InP. Ainsi, un VCSEL monolithique accordable est réalisée selon la même configuration électromécanique en utilisant une injection électrique par jonction tunnel et un confinement par implantation ionique H+. Lorsque le miroir de Bragg InAlGaAs/InP est utilisé conjointement avec une localisation du courant par implantation et une injection électrique par jonction tunnel, les performances enregistrées restent globalement inférieures à celles rapportées par Yuen et al en régime d’injection électrique continu, avec une accordabilité de 17 nm et une puissance de 0,9 mW à 15°C. L’émission laser est maintenue jusqu’à 75°C [69]. D’autres solutions sont actuellement en cours de développement dans les laboratoires d’Agilent™ 6. La solution est extrêmement proche de celle vers laquelle nous nous sommes orientés[70]. Elle consiste à réaliser un VCSEL en utilisant un miroir de Bragg inférieur et supérieur InP/Air et une cavité d’InP dans laquelle sont enterrés les 5 puits quantiques d’InGaAsP. L’injection électrique est réalisée par une jonction tunnel à travers deux contacts électriques situés de part et d’autre de la cavité résonante d’InP (cf. Figure I-9). Le courant est confiné par sous-gravure sélective de la jonction tunnel (cf. Figure I-9.b). Sur cette Structure VCSEL, l’équipe d’Agilent™ est parvenue à obtenir un effet laser en régime d’injection continu jusqu’à 85°C avec une puissance de 0,45 mW (à 25°C) et une densité de courant seuil de 1,3 kA/cm²[71, 72].

(a) Image MEB des Miroirs InP/Air (b) Structure VCSEL tout InP/Air

Figure I-9 : VCSEL Agilent™ micro usiné tout InP/Air fonctionnant à 1,56 µm en régime

d’injection électrique continu à température ambiante. 6 http://www.labs.agilent.com/



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I-6 Microtechnologies utilisées pour les composants accordables

Depuis 1994, le LEOM développe les procédés de fabrication sur l’InP. Aujourd’hui

les procédés développés sont arrivés à maturité. La fabrication de MOEMS demande l’intégration de techniques de croissance spécifiques où l’ingénierie des contraintes des couches épitaxiées doit impérativement être finement contrôlée. Ces étapes technologiques post croissance qui consistent à définir la microstructure par gravure sèche, sous-gravure humide, la métallisation des contacts électriques, et le séchage sont regroupés sous le terme générique de microtechnologie (cf. Tableau I-3). Elles comprennent les étapes de photolithographie, de métallisation des contacts électriques, la structuration ou définition verticale de la structure, et dans le cas particulier des MOEMS, la sous-gravure et le séchage sur lesquels nous nous attarderons pour estimer leur impact sur l’expression de la fonction MOEMS. Les points critiques pour la fabrication de microstructures sont aux nombres de trois : l’ingénierie des contraintes lors de la croissance d’hétérostructure InP/InGaAs, la sous-gravure humide, et le séchage. La maîtrise de ces points permettra de minimiser les effets parasites sur la courbure, la tenue mécanique des structures suspendues [73], et le collage des membranes micro-usinées. Tableau I-3 : Enchaînement des étapes technologiques des MOEMS

No. Etape technologique Paramètres Masque Commentaires

1 Litho < 0 AZ 5214 Metal top contact masque positif

2 Dépôt métal contact haut

3 Lift off acétone

4 Recuit RTA alliage contact haut

5 Dépôt SiO2 plasma ECR

6 Litho > 0 AZ 5214 Mesa filtre masque positif

7 Recuit étuve ou plaque durcissement résine

8 Ouverture SiO2 CHF3 transfert masque

9 Gravure semiconducteur CH4/H2/O2 structuration verticale

10 Nettoyage plasma O2 élimination polymère

11 Litho > 0 AZ 5740 Metal top contact masque négatif

12 Dépôt métal contact haut

13 Lift off acétone

14 Recuit RTA alliage contact haut

15 Polissage mécanique face arrière

16 Dépôt Si/SiO2 couche anti-reflet

17 Litho > 0 AZ 5740 Mesa protection masque négatif

18 Sous-gravure FeCl3 gravure couche sacrificielle

19 Nettoyage acétone élimination résine

20 Séchage supercritique acétone / CO2

Optoelectronique

classique

Micro-

technologieIII-V

I-6.1 La gravure Verticale

La gravure verticale appliquée aux MOEMS consiste à isoler sur une plaque des composants à partir d’un masque formé de motifs périodiques et de dimensions variables. La gravure est réalisée par voie sèche. Le maintien des dimensions latérales requiert la mise en œuvre de techniques de gravure faiblement sélectives, et fortement anisotropes. L’anisotropie est essentielle afin d’obtenir de forts rapports d’aspect, et une bonne verticalité des flancs. Deux techniques sont actuellement disponibles, il s’agit des techniques de gravure plasma : la gravure ionique réactive, (en anglais RIE, reactive ion etching) et l’ICP (en anglais,



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inductively coupled Plasma). La mise en œuvre de ces techniques de gravure requiert un contrôle de la composition du mélange gazeux, du débit total, de la pression totale, et de la densité de puissance RF afin d’obtenir des vitesses d’attaque importantes, une excellente verticalité des flancs, et une faible rugosité de surface. Un compromis est à trouver entre la cinétique de gravure et la verticalité des flancs : une augmentation de la composition des espèces réactives accroît la vitesse de gravure au détriment de la verticalité des flancs, alors qu’une baisse de la pression totale dans le bâti favorise la verticalité des flancs au détriment de la cinétique de gravure.

La technique de gravure verticale utilisée dans la fabrication des MOEMS est la gravure RIE par plasma CH4 :H2 . Les vitesses de gravure raisonnables et la qualité de la morphologie des surfaces font que ce plasma est adapté pour la définition de structures à facteur d’aspect modéré (~10 µm). Cependant, pour atteindre de forts facteurs d’aspect, il est utile d’avoir, soit des cinétiques de gravure plus grandes, soit des temps de gravure plus importants. Le temps de gravure et la profondeur gravée sont limités par la formation de polymère et par la sous-gravure du masque de protection. L’augmentation du temps de gravure a des effets désastreux, la formation de polymère renforce la sélectivité et affaiblit l’anisotropie de la gravure entre l’InP et l’InGaAs. L’addition d’oxygène au procédé RIE CH4 : H2 permet d’éliminer le dépôt de polymère hydrocarboné sur les flancs ce qui préserve l’anisotropie et la faible sélectivité de la gravure. La passivation par l’oxygène empêche ainsi l’apparition de cannelure latérale et améliore largement le facteur d’aspect.

L’une des difficultés majeures de la gravure ionique réactive est le contrôle in situ de la profondeur de gravure pour permettre l’arrêt de la gravure sur la couche InP ou InGaAs dans un empilement multicouche d’InP/InGaAs. Pour la réalisation du contact métallique bas notamment, il est impératif d’arrêter précisément la gravure sur la couche dopée où sera réalisée la métallisation. Dans le cas contraire les propriétés électriques de la jonction seront très éloignées de la caractéristique visée. Un contrôle in situ de la profondeur de gravure assurera la reproductibilité des fonctions électriques des dispositifs. Il existe plusieurs techniques optiques qui permettent de réaliser ce contrôle in situ. Ces techniques sont pour la plupart basées sur l’analyse des phénomènes d’interférence. Les techniques de contrôle in situ les plus utilisées sont le RHEED (de l’anglais, Reflection High Energy Electron Diffraction) et la réflectance infrarouge par transformée de Fourier (en anglais FTIR, Fourier Transformed Infrared Reflectance) [74].

I-6.2 La gravure latérale

La gravure latérale fait suite à la gravure verticale. Le procédé choisi est une sous-gravure humide des couches sacrificielles d’InGaAs [75]. Cette technique permet la production de structures mécaniques tridimensionnelles. Elle doit être sélective pour ne pas porter atteinte à l’intégrité de la structure. La gravure des matériaux semiconducteurs par voie humide est gouvernée par des mécanismes d’oxydo-réduction et la cinétique de gravure est régie par la diffusion et/ou l’équilibre de la réaction [76].

Le micro-usinage de surface est le procédé de gravure latérale mis en œuvre pour la fabrication des membranes suspendues. Il présente l’avantage d’être compatible avec les procédés de fabrications collectives. Une approche monolithique peut ainsi être envisagée. L’empilement formé d’alternances d’InP/InGaAs est gravé sélectivement en éliminant les



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couches de matériaux sacrificiels. La couche sacrificielle d’InGaAs est sous-gravée auquel cas les lames d’InP sont libérées (cf. Figure I-10).

Figure I-10 : Schéma du procédé de micro usinage de surface des structures.

La gravure humide développée pour la production de structures tridimensionnelles à

base de matériaux III-V utilise une solution de FeCl3 :H2O. La solution de gravure FeCl3 :H2O offre une affinité chimique plus importante avec l’élément arsenic de la couche d’InGaAs qu’avec le Phosphore. La solution de gravure FeCl3 :H2O retenue est sélective et présente une forte anisotropie : la vitesse de gravure est maximale dans les plans de la famille (100) et minimale dans les plans de la famille (110). L’existence de couches dopées perturbe la cinétique de gravure de façon non négligeable. La perturbation se manifeste sous plusieurs formes, à savoir, une surgravure de l’InP, une surgravure des plots d’ancrage, … Celle-ci déséquilibre la structure suspendue et la répartition des contraintes.

I-6.3 Séchage des microstructures : séchage supercritique

Au terme de l’étape de micro-usinage sélective et humique, il faut sortir les

microstructures de la solution de gravure FeCl3 :H2O. Les membranes micro usinées d’InP sont séparées par quelques centaines de nanomètres d’Air. Du fait des faibles dimensions latérales des structures micro mécaniques, les forces opérantes à la surface, à l’interface, et entre les lames suspendues dues aux interactions moléculaires, aux charges électriques et magnétiques peuvent devenir suffisamment importantes pour influencer le comportement des composants MEMS. Au final, ces inflences peuvent avoir un impact déterminant sur l’échec ou la réussite de la conception, la fabrication, et leurs fonctions. Pour identifier l’importance relative de ces forces sur les MEMS, une comparaison des forces opérantes est réalisée quantitativement en accord avec leurs distances d’interaction (cf. Figure I-11).

Figure I-11 : Comparaison des forces opérantes entre deux membranes selon leur distance de séparation, extraite de [77].

MOEMS



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La figure I-11 montre en effet que les forces interagissant avec les membranes suspendues sont les forces de capillarité et les forces électrostatiques. Les forces de capillarité sont de quatre ordres de grandeur supérieures aux forces électrostatiques induites par l’accumulation des charges à la surface des lames adjacentes aux cavités d’air (attraction de Coulomb). La force de capillarité est une force d’interaction à courte distance où les molécules possèdent en surface une énergie supérieure à celle en volume indépendamment de la nature du milieu ambiant, qu’il soit solide ou liquide. Elle dépend exclusivement du mouillage et de la morphologie de surface, à travers l’angle de contact. Dans ce cas, une modification des surfaces par le micro usinage est susceptible de changer l’angle de contact. Le phénomène de capillarité a ainsi, à de très courtes distances, des effets macroscopiques. Ces distances submicroniques rendent non négligeables les forces de surface qui sont supérieures ou du même ordre de grandeur que la force de rappel de la membrane suspendue. De telles forces de surface sont susceptibles si elles ne sont pas convenablement gérées de conduire au collage des lames d’InP suspendues.

Pour éviter un éventuel collage des microstructures MEMS par l’effet des forces de capillarité ou des tensions de surface, il est impératif d’employer des méthodes à base de liquide faiblement tension actif (cf. Tableau I-4) et la technique de séchage super critique. Tableau I-4 : tension de surface à température ambiante.

Les microstructures sont plongées dans une

solution d’acétone pour être nettoyées. Suite au nettoyage des microstructures, le CO2 en phase liquide remplace par autoclave la solution d’acétone maintenue à une pression de 50 bars et une température inférieure à 8°C. La faible viscosité et tension de surface du CO2 fait qu’il lui est relativement facile de s’infiltrer entre les lames d’InP. La procédure de séchage par contournement du point triple consiste à chauffer jusqu'à ce que la pression ait atteint les conditions supercritiques (cf. Figure I-12) : 31°C et 72,8 atmosphère. Le CO2 est à partir de ce point un superfluide dont les propriétés physiques varient de façon continues en fonction de la température et de la pression. La tension de surface est nulle auquel cas le collage par capillarité est éliminé.

Le retour progressif à la pression atmosphérique fait passer le CO2 de l’état supercritique à l’état gazeux avec une variation progressive de sa tension de surface, ce qui préserve du collage les microstructures formées de plusieurs couches d’air [78].

Eau à 300K

CO2 (300K) supercritique

CO2 300K

Méthanol300K

Acétone300K

éthanol 300K

Isopropanol300K

Tension de surface (mN/m) 73 0 5 24,49 23,7 22,75 21,7

Figure I-12 : Diagramme de

phase du CO2



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I-7 Conclusion La technologie des microsystèmes montre jusqu’à aujourd’hui son immense potentiel pour les composants et les systèmes de transmission métropolitains gourmands en bande passante, où la demande pour le routage et l’aiguillage est critique. La flexibilité et la capacité de reconfiguration dynamique que cette technologie confère font que l’intégration des MEMS dans les systèmes multiplexés des réseaux métropolitains devient extrêmement attractive pour l’implémentation d’actuateurs aux composants à configuration verticale. Aucune autre technologie, à notre connaissance, ne peut moduler une fonction optique sur une aussi large gamme de variation continue et ce pour des déplacements de quelques fractions de longueur d’onde. Par ailleurs, le caractère monolithique de cette technologie permet de rester compatible avec les exigences industrielles de réductions des coûts de fabrication. Intégré sur les composants verticaux à base de résonateur Fabry-Pérot, nous envisageons, pour la réalisation de composants télécoms accordables autour de 1,55 µm, dédiés à l’émission et au filtrage dans les réseaux multiplexés optiques de transmission longue distance, d’utiliser des miroirs de Bragg micro usinés InP/Air afin de relâcher les contraintes inhérentes à la fabrication de miroirs de Bragg tout semiconducteur de haute réflectivité sur le substrat InP. Sur la figure I-13 sont représentés les schémas de principe des structures laser et filtre optique que nous allons développer au cours de ce travail.

(a) VCSEL accordable (b) Filtre optique accordable Figure I-13 : Schéma de principe du VCSEL et Filtre optique accordables à base de MEMS

Les approches choisies sont monolithiques et offrent la possibilité de moduler la

longueur de cavité résonante. Pour la structure VCSEL MOEMS, la cavité résonante est mixte et composée d’Air et d’InP (cf. Figure I-13.a). La structure filtre est entièrement formée de lames d’InP séparées par des lames d’Air (cf. Figure I-13.b). Celle-ci réalise un résonateur Fabry-Pérot où les deux miroirs de Bragg InP/Air inférieur et supérieur entourent une cavité résonante d’Air. Dans ces deux types de structures, l’accordabilité est obtenue par déplacement de la lame d’InP adjacente à la cavité d’Air.



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I-8 Bibliographie du chapitre MOEMS pour les Télécoms

[1] Syms, R.R.A., Moore, D.F.

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Chapitre I MOEMS POUR LES TELECOMs - docinsa.insa …docinsa.insa-lyon.fr/these/2004/bakouboula/10_chapitre1.pdf · 1 symposium cisco 2003 “Infrastructures Metro Optiques’’