Conception et réalisation d'un filtre de Fabry-Perot intégré sur un micro-banc optique en silicium

Conception and realization of a tunable Fabry-Perot filter integrated into a silicon micro-optical bench

• Auteur / Autrice : Emmanuelle Pichonat
• Direction : Michel de Labachelerie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications optiques

Conception et construction

Filtres

Microtechniques

Résumé

Ce travail s'inscrit dans le domaine des micro systèmes optiques. Le travail a consisté à concevoir et réaliser un prototype de filtre spectral de type Fabry-Perot. Ce type de composant a de nombreuses applications, tant dans le domaine des télécommunications optiques que dans le domaine des capteurs interférométriques. L'objectif est ici de réaliser un micro filtre dont la longueur optique peut être plus importante que dans les travaux publiés précédemment. Ce filtre peut, de plus, être adapté à différents types de longueurs d'onde. Il s'agit d'un composant se présentant sous la forme d'un micro-banc optique, ce qui rend aisée son intégration sur des montages plus complexes. Dans une première partie, une architecture a été proposée incluant un micro actionneur thermique permettant de déplacer une plate forme supportant une micro lentille. Cette lentille permet de collimater le faisceau sortant d'une diode laser fibrée. Les faces planes des lentilles jouent le rôle de miroirs défmissant la cavité de Fabry- Perot. Un modèle analytique et un modèle par éléments finis ont été développés pour étudier le comportement de l'actionneur thermique. Une bonne corrélation a été trouvée entre les deux modèles permettant d'étendre l'étude par éléments finis à tout type de géométrie. Différents procédés technologiques ont ensuite été développés permettant de résoudre les différents problèmes de micro fabrication rencontrés (compensations des sous-gravures, obtention de flancs verticaux. . . ). Des caractérisations électromécaniques ont permis de vérifier que les températures et les déplacements expérimentaux sont bien en accord avec les résultats obtenus par les simulations. Les comparaisons entre les modèles et l'expérience ont permis de valider la bonne compréhension des phénomènes observés. Enfin, un banc de caractérisation optique a permis de mesurer la finesse du filtre. Une finesse de 25 a été obtenue à la longueur d'onde de 830 nm.

This work is an example of Micro Optical Electrical Mechanical Systems (MOEMS). The aim was to realize a tunable Fabry-Perot filter with an optical length less important than in the previous works. This kind of device bas many applications for the telecommunications systems and the interferometric sensors. This filter which is integrated to an optical bench can work in different wavelengths. It's an example of a full-wafer structuring process which makes use of the advantage of silicon machining. Anisotropic etching techniques allow the fabrication of low cost structures with a very high precision. Ln the first part, we propose a system with a micro thermal actuator which allow the displacement of a micro-lens supported by a movable silicion frame. This lens permits the focusing of the beam which results from an optical fiber or a Laser diode. The Fabry-Perot cavity is obtained by the deposition of reflective layers to form the mirrors on the exit facet of the first lens and the input facet of the second one. We have mainly worked on the actuator modeling and we present two models of a thermomechanical in-plane microactuator by using an analytical model and a Finite Element simulation. We demonstrate a good agreement between both models. This study shows that we can develop this model for more complex structures. Different technological processes have been developped to solve some etching problems (the use of compensations to avoid under-etching, perfect vertical walls. . . ). Comparisons between theory and experimental results (temperature and displacement) validate the steady-state conditions and demonstrate the importance of several thermal phenomena. The actuator bas been successfully used in a Fabry-Perot interferometer : a finesse of 25 was obtained for a 830 nm laser diode.