Vers l'intégration monolithique d'une micro-optique active en polymère sur VCELs
Résumé
This thesis deals with the study and the development of novel polymer MOEMS (Micro Optical Electrical Mechanical Systems) for Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) passive and active beam shaping. To improve the photonic integration of these compact laser sources in optical communication and detection systems (sensors, biomedical analysis), we have designed and fabricated a polymer-based microsystem suitable for a monolithic integration on VCSELs. It includes a refractive microlens deposited onto a suspended membrane that is moved vertically to modify dynamically the microlens-source distance. MOEMS design has been optimized by means of numerical modeling of Gaussian laser beam propagation as well as of membrane thermo-mechanical actuation. Technological steps for collective fabrication on VCSELs arrays have been developed. In particular, several methods for microlens optimal alignment relatively to the laser source have been investigated. SU-8 reliability resist has been also studied. Finally, fabricated MOEMS have been characterized. A vertical displacement of 8μm has been achieved under 3V applied, in good agreement with modeling results. This corresponds to a shift of lens focal plane of 20μm, thus demonstrating the interest of our approach.
Ces travaux de thèse portent sur la conception et la réalisation d'un nouveau type 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). Afin d'améliorer l'intégration de ces diodes lasers dans les systèmes de communication et de détection optiques (instrumentation, biomédical), nous avons en effet conçu et réalisé un microsystème à base de polymères compatible avec une intégration monolithique sur VCSELs. Il est composé d'une microlentille réfractive associée à une membrane suspendue, dont le déplacement vertical permet de modifier dynamiquement la distance microlentillesource. La géométrie du MOEMS a été optimisée à l'aide de simulations optiques pour la propagation du faisceau gaussien et thermo-mécaniques pour l'actionnement de la membrane. Nous avons développé l'ensemble des briques technologiques pour la fabrication collective de ce dispositif sur VCSELs. En particulier, plusieurs voies ont été évaluées pour assurer l'alignement optimal de la microlentille avec la source laser. L'étude du vieillissement de la résine SU-8 exploitée pour ces études a été également menée. Enfin, la caractérisation des microsystèmes réalisés a conduit à l'obtention de déplacements mécaniques de 8 μm pour 3V appliqués, correspondant à une modification de la position du plan de focalisation de la lentille de 20μm, ce qui valide nos modélisations et démontre l'intérêt de l'approche proposée.
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