Fabrication technologies

Materials processing

1

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

6

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

11

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

24

Etching

25

Etching (Gravure, Attaque)

26

Results & tests

27

Fabrication process (organomineral)

4

RECUIT 110°C

28

1 SYNTHESE

H

H

H

3

LITHOGRAPHIE

R

DEPOT 2

+ H2O

Fabrication results (organometallic)

29

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

32

Bending vs Technologies

33

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)

34

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

)

35

Power dividers

Y junction 1x2

Star coupler 1x16

MMI 1x32

36

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

38