Conception et réalisation de microsystèmes optiques (MOEMS) en polymère pour l'optique adaptative intégrée sur diodes laser verticales (VCSELs)

Design, fabrication and integration of active polymer optical microsystems (MOEMES) on VCSELs laser diodes

• Auteur / Autrice : Sami Abada
• Direction : Véronique Bardinal, Thierry Camps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanosystèmes
• Date : Soutenance le 11/12/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication à laser

Microtechniques

Mots clés libres

MOEMS

Micro-optique

Polymères

Diodes laser VCSELs

Intégration photonique

Dépôt de films secs photosensibles

Jets d'encre

Optical MEMS

Micro-optics, polymers

VCSEL diodes

Photonic integration

3D modeling

SU8

Electrothermal actuation

Thickness uniformity

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la réalisation et d'une nouvelle génération de MOEMS (Micro-Optical-Electrical-Mechanical System) pour le contrôle actif du faisceau laser émis par des matrices de VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers). Le microsystème à base de polymères que nous avons conçu est compatible avec une intégration monolithique en post-processing. Il est composé d'une membrane suspendue associée à une microlentille réfractive. Le plan de focalisation est contrôlé dynamiquement grâce au déplacement vertical de la membrane grâce à un actionnement électrothermique. La géométrie du MOEMS a été optimisée à l'aide notamment de simulations électro-thermo-mécaniques pour minimiser l'énergie de commande et fiabiliser les dispositifs. Nous avons ensuite développé l'ensemble des briques technologiques pour la fabrication collective de ce dispositif sur des matrices de VCSELs. En particulier, une technique originale de transfert thermique doux de films secs photosensibles épais a été mise au point au moyen d'un équipement de nano-impression, pour permettre un dépôt uniforme et précis sur des substrats fragiles ou de faible taille. En outre, nous avons développé un procédé simple et totalement planaire pour la fabrication du MOEMS et optimisé un procédé de dépôt par jets d'encre pour l'intégration finale des microlentilles, avec la possibilité de choisir la distance focale la plus adaptée à la fin du process. La caractérisation des microsystèmes que nous avons réalisés a conduit à l'obtention de déplacements mécaniques de 8µm pour seulement 12.5mW appliqués, ce qui constitue une validation de nos résultats de modélisation. Enfin, des premiers résultats de focalisation dynamique du faisceau VCSELs sont présentés.

This thesis deals with the study and the fabrication of a novel type of polymer MOEMS (Micro Optical Electrical Mechanical Systems) to achieve passive or active beam shaping of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs). To improve the photonic integration of these compact laser sources in optical communication and detection systems (sensors, biomedical analysis), we designed a polymer-based optical microsystem that is suitable with a post-processing integration on VCSELs. Its operation principle is based on the out-of-plane displacement of a suspended SU-8 membrane including a polymer refractive microlens at its surface. Thanks to electro-thermal actuation, the vertical displacement of the membrane allows to dynamically modify the microlens-source distance and leads to a vertical shift of the laser beam waist position. MOEMS actuation power and reliability were optimized owing to a comprehensive tri-dimensional thermo-electro-mechanical model that takes into account SU-8 material properties and precise geometry of the device. Technological steps necessary for the collective fabrication of such MOEMS on VCSELs arrays were also developed. In particular, we report on a new photoresist film transfer method we developed to achieve a highly uniform fabrication of high aspect ratio MOEMS on small-sized or fragile samples such as GaAs-based VCSELs wafers. This method that we call "soft thermal printing" is based on the use of a thermal nano-imprint set-up. Moreover, a simple and planar process for MOEMS fabrication was successfully tested. A dedicated inkjet printing process for drop-on-demand deposition of the microlens on the membrane center was also developed. Finally, the fabricated MOEMS were characterized. A vertical displacement as high as 8µm was observed for only 12.5mW applied, in good agreement with our 3D modeling results and first results on 850nm VCSEL dynamic beam focusing were obtained, demonstrating the interest of our approach.