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Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes
Micro-optique polymère passive et active sur VCSELs
Contact: V. Bardinal
Micro-optique polymère passive et active sur VCSELs
Les VCSELs sont désormais des sources laser stratégiques pour les communications optiques, mais également pour l'instrumentation avec notamment l'essor des capteurs optiques pour la biologie.
Malgré une divergence de faisceau limitée, ces sources doivent de plus en plus souvent être associées à des éléments micro-optiques afin d'améliorer leur qualité de faisceau tout en augmentant leurs capacités d'intégration dans les microsystèmes d'analyse optique.
C'est dans ce contexte en fort développement que s'inscrivent nos travaux sur la micro-optique polymère intégrée et sur les MOEMS (Micro-Optical-Mechanical-Systems) à base de VCSELs et de polymères.
Malgré une divergence de faisceau limitée, ces sources doivent de plus en plus souvent être associées à des éléments micro-optiques afin d'améliorer leur qualité de faisceau tout en augmentant leurs capacités d'intégration dans les microsystèmes d'analyse optique.
C'est dans ce contexte en fort développement que s'inscrivent nos travaux sur la micro-optique polymère intégrée et sur les MOEMS (Micro-Optical-Mechanical-Systems) à base de VCSELs et de polymères.
Personnel impliqué : V. Bardinal, B. Reig, J. Launay, I. Seguy
T. Camps (N2IS), E. Daran (TEAM), J.B. Doucet (TEAM), J.B. Pourciel (IDEA)
Dépôt localisé de microlentilles en polymère
Nous avons développé une nouvelle technique bas coût de dépôt localisé de microgouttes de polymère à l'aide de microleviers robotisés (cf. Groupe NBS) (projet MIOPY)
Des microlentilles hémisphériques ont été ainsi déposées par contact sur des surfaces de SU-8à partir de mélanges de monomères thermodurcissables ou UV-sensibles. Elles présentent de très faibles aberrations optiques (RMS=0.02 PV=0.11), équivalentes à celles obtenues par la technique de dépôt par jets d'encre (mesures en collaboration avec H. Ottewaere, TONA-VUB à Bruxelles). Les dimensions des microlentilles réalisées sont de plus bien adaptées pour la mise en forme du faisceau issu d'un VCSEL.
Des microlentilles hémisphériques ont été ainsi déposées par contact sur des surfaces de SU-8à partir de mélanges de monomères thermodurcissables ou UV-sensibles. Elles présentent de très faibles aberrations optiques (RMS=0.02 PV=0.11), équivalentes à celles obtenues par la technique de dépôt par jets d'encre (mesures en collaboration avec H. Ottewaere, TONA-VUB à Bruxelles). Les dimensions des microlentilles réalisées sont de plus bien adaptées pour la mise en forme du faisceau issu d'un VCSEL.
(A gauche) Image au microscope électronique de microlentilles en polymère déposées par contact avec des microplumes robotisées en silicium sur une surface de SU-8 (A droite) Aberrations optiques du front d'onde mesurées par interférométrie de Mach Zehnder en transmission
[Optics Express, Vol 15, n°11, 2007]
Collimation collective et sur mesure des VCSELs
L'intégration des microlentilles sur des composants VCSEL a nécessité le développement de piedestaux en SU-8 sur lesquels les lentilles sont déposées (post-doc C. Levallois). Leur tailles et leurs formes ont été optimisées pour un auto-alignement des gouttes sur le piédestal. L'utilisation de ce procédé pour une intégration directe de microlentilles réfractives polymère sur des VCSELs a abouti à la réduction significative de la divergence du faisceau, de l'ordre de 1° (au lieu de 12°). Nous avons aussi démontré que la divergence est ajustable sur mesure en choisissant le diamètre du piédestal lors de la photolithographie. Ces résultats sont en accord avec nos modélisations optiques sous ZEMAX-EE et à l'aide d'outils de simulation tenant compte du résonateur laser (coll. IEIIT Politecnico Turin).
(A gauche) Image au microscope optique d'une matrice de piédestaux cylindriques [30-140µm] sur lesquels sont déposés les microlentilles. Insert : Image au microscope électronique de microlentilles intégrées à un émetteur VCSEL. (A droite) Divergence du faisceau sans et avec microlentille intégrée Insert : Courbes puissance-courant correspondantes
[IEEE Phot. Technol. Lett. Vol 21, 1592-1594, 2010]
Micropointes auto-inscrites sur VCSELs par photopolymérisation infra-rouge
Pour aller plus loin vers l'auto-alignement des lentilles, nous explorons actuellement les propriétés de nouvelles formulations polymères sensibles dans l’infra-rouge (NIR) (projet ANR NIR Optics/ Collaboration avec l’IS2M à Mulhouse et le LNIO à Troyes). Nous avons ainsi réussi à intégrer en surface de composants VCSELs des micropointes en polymère parfaitement alignées sur la source grâce cette approche. Notre méthode ne nécessite qu'une étape et elle est compatible avec une fabrication en post-processing ou en post packaging. L'étude de l'influence des paramètres photochimiques sur la forme et le rayon de courbure des micro-éléments fabriqués est en cours (Post doc D. Barat).
Les premiers résultats de mesure du profil du faisceau en présence de la pointe montrent une forte focalisation à courte distance, ce qui ouvre de nouvelles perspectives d’applications de ces composants pour la microscopie en champ proche ou pour la manipulation optique pour l’analyse biologique.
Les premiers résultats de mesure du profil du faisceau en présence de la pointe montrent une forte focalisation à courte distance, ce qui ouvre de nouvelles perspectives d’applications de ces composants pour la microscopie en champ proche ou pour la manipulation optique pour l’analyse biologique.
(A gauche) Principe de fabrication d'une micropointe en polymère en surface d'un VCSEL et auto-façonnée par son faisceau laser (A droite) Image au microscope électronique de la première pointe de focalisation auto-écrite sur un VCSEL [Appl. Phys. Lett. 96, 2010]
MOEMS SU-8 pour la réalisation de microlentilles actives sur VCSELs
MOEMS SU-8 pour la réalisation de microlentilles actives sur VCSELs
Pour mieux insérer les VCSELs dans les systèmes d'analyse et d'imagerie (analyse biologique, pinces optiques, scanners verticaux miniatures...), nous visons désormais la réalisation de microlentilles actives intégrées pour pouvoir ajuster dynamiquement la taille et la position du faisceau laser.
Dans ce but, nous exploitons actuellement les propriétés de la SU-8 (transparence, haut rapport de forme, forte dilatation thermique et faible conductivité thermique) pour concevoir et réaliser des MOEMS intégrés sur VCSELs pour la focalisation dynamique (Thèse B. Reig). Nos simulations thermo-mécaniques (COMSOLTM) et optiques (ZEMAX) montrent qu'un déplacement vertical du plan de la lentille de 5µm est possible avec un gradient appliqué de 100°C et qu'il conduirait à un déplacement du waist du faisceau supérieur à 100µm (Coll. FOTON).
Nous avons démontré récemment qu'un déplacement de la membrane de 8µm peut être obtenu avec seulement 42 mW appliqués (3V) [Journ. of Micromechanics and MicroEngineering, 2012]
(A gauche) Principe de correction dynamique du faisceau VCSEL grâce à un MOEMS polymère intégré à actionnement électrothermique (A droite) Simulation thermomécanique d'une demie-structure illustrant la distribution de la température et de la déflexion de la membrane sous actionnement
[SPIE Proc. 771620, 2010]
Dans ce but, nous exploitons actuellement les propriétés de la SU-8 (transparence, haut rapport de forme, forte dilatation thermique et faible conductivité thermique) pour concevoir et réaliser des MOEMS intégrés sur VCSELs pour la focalisation dynamique (Thèse B. Reig). Nos simulations thermo-mécaniques (COMSOLTM) et optiques (ZEMAX) montrent qu'un déplacement vertical du plan de la lentille de 5µm est possible avec un gradient appliqué de 100°C et qu'il conduirait à un déplacement du waist du faisceau supérieur à 100µm (Coll. FOTON).
Nous avons démontré récemment qu'un déplacement de la membrane de 8µm peut être obtenu avec seulement 42 mW appliqués (3V) [Journ. of Micromechanics and MicroEngineering, 2012]
(A gauche) Principe de correction dynamique du faisceau VCSEL grâce à un MOEMS polymère intégré à actionnement électrothermique (A droite) Simulation thermomécanique d'une demie-structure illustrant la distribution de la température et de la déflexion de la membrane sous actionnement
[SPIE Proc. 771620, 2010]
