Optical MEMS filters and interferometers using micromachined Bragg mirrors

• Auteur / Autrice : Bassam Saadany
• Direction : Tarik Bourouina
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Filtre de Fabry-Pérot

Interféromètre de Michelson

Filtre optique accordable

Module d'ajout-retrait

Spectromètre FTIR

Résumé

Des miroirs de Bragg verticaux micro-usinés sur substrat de silicium ont été étudiés. Ce type de miroir constitue une brique de base pour une nouvelle classe de MEMS optiques. Ils sont réalisés par gravure anisotrope du silicium par la technique DRIE. Les structures réalisées, leur procédé de fabrication, ainsi que les mesures effectuées sont présentés dans ce mémoire. La première application traite d’un nouveau type de filtre optique sélectif, dont l’utilisation la plus courante concerne les modules d’ajout-retrait dans les réseaux de communications optiques. Le concept est simple : il s’agit d’un miroir disposé à 45° de l’axe optique. Le miroir est intégré avec des supports de fibre optique. La seconde application est une cavité Fabry-Pérot accordable, constituée de deux miroirs de Bragg où l'accord est réalisé par le mouvement d’un des miroirs, en utilisant un actionnement électrostatique à base de MEMS. La gamme d’accordabilité permet de couvrir l’intégralité de la bande C ou de la bande L. Enfin, un interféromètre MEMS de type Michelson utilisant des réflecteurs de Bragg en silicium a été proposé et étudié. La fonctionnalité des interféromètres a été validée expérimentalement par des mesures, lesquelles ont été analysées et comparées aux modèles théoriques et incertitudes technologiques. Les perspectives de ces travaux incluent non seulement de nouveaux dispositifs accessibles par l’intégration de miroirs de Bragg verticaux, mais aussi l’application des interféromètres réalisés à des fins de mesure des vibrations mécaniques in situ dans des capteurs en silicium.

This work is concerned with MEMS optical filters and interferometers. Micromachined Bragg mirrors over SOI and silicon substrates are investigated for this purpose. The micromachined Bragg mirrors are realized by anisotropic etching of silicon using Deep Reactive Ion Etching (DRIE), thus producing multiple vertical interfaces between silicon and air. The Bragg mirrors application to three different configurations is studied. First, we propose an all-silicon based add-drop filter. The proposed configuration employs a tilted Bragg mirror (45o), integrated with fiber grooves, where the mirror behaves as a wavelength selective reflector. Second is a tunable Fabry-Pérot cavity composed of two micromachined Bragg mirrors, where tuning is achieved by moving one of the mirrors using electrostatic MEMS actuation. A tuning range covering the telecom C-band (1525 – 1560 nm) is achieved. A high-resolution electrostatic actuator design is proposed for the accurate tuning of the cavity. A novel fabrication process is proposed where the quality of the DRIE process is enhanced in terms of sidewall surface roughness, anisotropy, loading effects and minimum under etching. The enhanced process involves a mix of Cryogenic and Bosch DRIE processes. An ultra-compact MEMS Michelson interferometer utilizing silicon Bragg reflectors over SOI is studied for the first time. Interferometer area is 150 μm X 150 μm. . A novel beam splitting technique is proposed, where a single interface is encountered during beam splitting. The proposed technique enables the realization of highly robust MEMS interferometers that are well suited for industrialization.