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Abstract

Research work presented here started in 1992 in the group Photonique of LAAS-CNRS. It is part of a larger work done in the team driven by F. Lozes-Dupuy, Director of Research. After a detailed study of single mode surface emitting Distributed Bragg Reflector laser diodes, we looked towards control and optimisation of their performances by adding an hybridized extended external cavity. From there, our research domain got to the one of microsystems and their associated technologies. Our main goal was the realization of a stabilized frequency laser micro-source. This microsystems orientation was then supported through collaborative work on optical microsystems, and more precisely on the critical step of photonic integration in microsystems. At first, our work concentrated on developing new concepts of photonic integration on silicon benefiting from CMOS standard technology. Our case study was a displacement optical sensor and we showed that microelectronics, optoelectronics and integrated photonics could be associated on a silicon wafer to propose smart optical functions based on CMOS compatible technology. A second direction of integration, based on photonic crystals properties, explores new designs of laser diodes compatibles with dense planar photonic integration.

Résumé

Les travaux de recherches présentés dans ce mémoire ont débuté en 1992 au sein du groupe "Photonique" du LAAS-CNRS. Ils sinscrivent dans le cadre général des recherches menées par l'équipe animée par F. Lozes-Dupuy, Directrice de Recherches au CNRS. Après une étude approfondie des diodes laser DBR (Distributed Bragg Reflector) monofréquences à émission surfacique, létude de ce type démetteurs a été poursuivie en recherchant le contrôle et loptimisation de leurs performances par ladjonction dune cavité optique étendue hybridée. Ces travaux ont conduit à élargir le domaine de recherches à celui des microsystèmes et aux technologies associées en vue de proposer une microsource laser stabilisée en fréquence. Lorientation «microsystème» des activités a ensuite été renforcée par des travaux de collaboration sur les microsystèmes optiques et, plus spécifiquement, sur le verrou que constitue lintégration photonique dans les microsystèmes. Dans une première approche, en mettant à profit les acquis de la technologie conventionnelle de type CMOS, les travaux ont concerné l'étude de nouveaux concepts d'intégration sur silicium. Ces travaux se sont appuyés sur un objet détude constitué par un capteur optique de déplacement et ont montré que la microélectronique, l'optoélectronique et l'optique intégrée pouvaient être associées sur silicium pour proposer des fonctions optiques "intelligentes" à partir d'une technologie compatible CMOS. Une deuxième approche dintégration photonique a ensuite été explorée pour tirer profit des propriétés des cristaux photoniques dans la perspective du développement de nouveaux types de diodes laser compatibles avec une intégration photonique planaire dense.

Mots-Clés / Keywords

Laser à émission surfacique; Micro-source laser; Intégration photonique; Micro-système optique; Capteur optique; DBR laser diode; Surface emitting laser diode; Laser microsource; Photonic integration; Optical microsystems; Optical sensor; Diode laser DBR;

Abstract

We present an optical tunable Fabry-Perot micromachined interferometer. The device is monolithically integrated with a p+-n photodiode on a silicon substrate, providing an adequate positioning of the photonic and microoptical components. The Fabry-Perot micro-interferometer consists of two parallel mirrors and lets the light with a particular wavelength pass through. The wavelength depends on the gap between the mirrors. We can change the gap of the micro-mechanical Fabry-Perot interferometer by applying a voltage to the mirrors, an electrostatic force inducing an attraction between the substrate and the top mirror. A simulation of the mechanical behavior was performed based on finite elements, using CoventorWare software. The method included an electro-mechanical simulation for a square parallel plate actuation with four connecting beams. The finite elements method (FEM) simulations of the device (the Fabry-Perot tunable filter) are performed for optimizing the design parameters in order to model the overall system performance, both the steady-state behavior and dynamic response.

Abstract

We present an optical tunable Fabry-Perot micromachined interferometer. The device is monolithically integrated with a p+-n photodiode on a silicon substrate, providing an adequate positioning of the photonic and microoptical components. The Fabry-Perot micro-interferometer consists of two parallel mirrors and lets the light with a particular wavelength pass through. The wavelength depends on the gap between the mirrors. We can change the gap of the micro-mechanical Fabry-Perot interferometer by applying a voltage to the mirrors, an electrostatic force inducing an attraction between the substrate and the top mirror. A simulation of the mechanical behavior was performed based on finite elements, using CoventorWare software. The method included an electro-mechanical simulation for a square parallel plate actuation with four connecting beams. The finite elements method (FEM) simulations of the device (the Fabry-Perot tunable filter) are performed for optimizing the design parameters in order to model the overall system performance, both the steady-state behavior and dynamic response.