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Abstract

We report on a simple method for the collective fabrication of polymer tunable microlens arrays suitable for VCSEL active beam shaping. Its principle is based on a SU-8 suspended membrane, surmounted by a polymer microlens, and thermally actuated to achieve a vertical displacement of lens plane. SU-8 resist presents many advantages for MOEMS fabrication, as this resist allows for high aspect ratio patterns and high transparency. In addition, it exhibits a thermal expansion coefficient suitable for thermal actuation. Moreover, this kind of polymer MOEMS can be fabricated on VCSEL arrays with footprints as low as 500x500 µm² enabling a rapid, low cost and wafer-scale integration technology. We have successfully fabricated this MOEMS on a glass substrate by means of a SU-8 double exposure method and we report on a vertical displacement of 8 µm under an applied power of 43mW (3V). A good agreement with the theoretical thermo-mechanical behavior is found. Moreover, optical measurements of microlens focus displacement under actuation are presented. We evaluate analytically the focus properties of the system under coherent laser illumination, using the classical ABCD matrix formalism of Gaussian transformation optics. The same approach enables one to assess its tolerance to opto-geometrical parameters, such as refractive index or dioptre curvature. As a wide range of initial gaps between the membrane and the substrate can be chosen, this MOEMS technology opens new insights for dynamic control of VCSEL beam or for tunable VCSELs fabrication.

Abstract

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.

Résumé

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.

Mots-Clés / Keywords

MOEMs; Micro-optique; Polymères; Diodes laser VCSELs; Intégration photonique; Optical MEMS; micro-optics; Polymers; VCSEL diodes; Photonic integration;