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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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602documents trouvés

18027
02/03/2018

Comprehensive modeling of multimode fiber sensors for refractive index measurement and experimental validation

H.APRIYANTO, G.RAVET, O.BERNAL, M.CATTOEN, HC.SEAT, V.CHAVAGNAC, F.SURRE, J.H.SHARP

OSE, GET- UMR 5563, City University, Glasgow

Rapport LAAS N°18027, Mars 2018, 11p.

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142554
17479
02/03/2018

Soft mold NanoImprint Lithography: A versatile tool for sub-wavelength grating applications

S.PELLOQUIN, S.AUGÉ, K.SHARSHAVINA, J.B.DOUCET, A.HELIOT, H.CAMON, O.GAUTHIER-LAFAYE

PHOTO, TEAM

Revue Scientifique : Microsystem Technologies, 5p., Mars 2018 , N° 17479

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01706924

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Abstract

Due to its independency to the substrate used, Soft mold NanoImprint Lithography (S-NIL) is a technique of great interest in particular for the fabrication of optical devices. We demonstrate a mature pathway for the realization of optical filters from the conception to the optical characterization. Those filters can be realized on large surfaces (up to 6" diameter wafers) with high conformity on various substrates. Quality of the transfer will be discussed throughout the process and optical performances compared to those obtained with classical techniques. In this paper we fabricated tunable spectral filters with a grating periodicity down to 260 nm and imprint surfaces up to 6". Physical conformity of the gratings will be discussed in terms of long-range stitching obtained on 6" Si hard mold, dimensional shrinkage during thermal NanoImprint on Zeonor® soft mold and conformity towards patterned hard mold throughout the process.

142589
17586
01/03/2018

Technique for wireless reading of passive microfluidic sensors

D.HENRY, H.AUBERT, P.PONS, J.LORENZO, A.LAZARO, D.GIRBAU

MINC, Rovira, UPC

Revue Scientifique : Electronics Letters, Vol.54, N°3, pp.150-151, Mars 2018 , N° 17586

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01710134

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Abstract

The remote reading of high-resolution microfluidic and passive (i.e. batteryless and chipless) temperature sensors is focused. These sensors are remotely interrogated from a 24 GHz frequency-modulated continuous-wave radar performing a mechanical beam scanning for locating the sensors and measuring the variation of sensors electromagnetic echo level due to temperature fluctuation. From radar measurement data, an estimator is proposed here for determining the meniscus position of the fluid inside the sensors microchannel and for deriving the temperature at the sensors location. It is shown that the estimator presents a convenient linear dependence with the meniscus position at the sensor location. The smallest measurable variation of the meniscus position is of 40 μm.

142741
18016
08/02/2018

Optical feedback flowmetry: Impact of particle concentration on the signal processing method

R.ATASHKHOOEI, E.E.RAMIREZ MIQUET, R.DA COSTA MOREIRA, A.QUOTB, S.ROYO, J.PERCHOUX

UPC, MPQ, OSE

Revue Scientifique : IEEE Sensors Journal, Vol.18, N°4, pp.1457-1463, Février 2018 , N° 18016

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01685176

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Abstract

Optical feedback interferometry (OFI) based flowmetry enables simple, robust, self-aligned and low cost systems to measure the fluid flow velocity with reasonable accuracy. The particle concentration in the fluid causes significant changes in the signal of OFI sensors. While the spectral analysis of the particle induced Doppler shift remains as the most usual approach to determine the flow properties, different processing algorithms have been proposed in order to evaluate the average flow velocity within the measurement volume. In this paper, the validity of the commonly used methods with regards to particle concentrations and flow rates is verified.

142333
17446
01/02/2018

Reconfigurable grounded vector antenna for 3D electromagnetic direction finding applications

J.DUPLOUY, C.MORLAAS, H.AUBERT, P.POULIGUEN, P.POTIER, C.DJOMA

MINC, ENAC, DGA, Bruz

Revue Scientifique : IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol.17, N°2, pp.197-200, Février 2018, DOI 10.1109/LAWP.2017.2779878 , N° 17446

Lien : https://hal-enac.archives-ouvertes.fr/hal-01658238

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Abstract

In this letter, a reconfigurable grounded wideband antenna is proposed in view of vector sensor applications. This antenna combines two orthogonal and colocated semi-circular arrays of Vivaldi antennas mounted over a metallic support. The radiation patterns of two wideband magnetic dipoles and one wideband electric dipole can be synthesized thanks to an appropriate antenna excitation. Measurement results are in good agreement with the simulated results obtained from full-wave electromagnetic simulations. The proposed antenna exhibits stable radiation patterns over a wide impedance bandwidth of 1.69:1, a high radiation efficiency and a good isolation between the antenna input ports. This antenna is a good candidate for wideband 3D direction finding using a vector sensor.

141719
18010
23/01/2018

Etude et réalisation de jonctions tunnel à base d'hétérostructures à semiconducteurs III-V pour les cellules solaires multi-jonction à très haut rendement

K.LOUARN

PHOTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 23 Janvier 2018, 197p., Président: C.ALONSO, Rapporteurs: J.C.HARMAND, J.CONNOLLY, Examinateurs: Y.ROUILLARD, Directeurs de thèse: G.ALMUNEAU, A.BOUNOUH , N° 18010

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01705164

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Abstract

Multi-Jonction Solar Cells (MJSCs) are leading the way of high efficiency photovoltaic devices, with conversion efficiency up to 46%. Their subcells are designed to absorb in a specific and complementary range of the solar spectrum, and are connected in series with tunnel junctions. The tandem architecture InGaP/GaAs - with bandgaps of 1.87 eV and 1.42 eV respectively - is mature and its efficiency could be enhanced by incorporating subcell(s) with bandgaps of 1 eV and/or 0.7 eV. The Molecular Beam Epitaxy (MBE) growth of such low bandgap materials has thus to be developed, as well as low-resistive tunnel junctions with good structural and optical properties. Based on the MBE growth and the simulation of GaAs tunnel junctions, we have identified interband tunneling as the predominant transport mechanism in such devices rather than trap-assisted-tunneling. The interband tunneling mechanism could be enhanced with the type II GaAsSb/InGaAs heterostructure. Using this material system, we have then demonstrated tunnel junctions with very low electrical resistivity with a limited degradation of the optical and structural properties inherently induced by the use of low band-gap and lattice-mismatched GaAsSb and InGaAs materials. Moreover, we fabricated an innovative AlInGaAs/AlGaAsSb tunnel junction as a graded buffer architecture that could be used for the incorporation of a 1 eV metamorphic subcell. We then developed and characterized InGaAsN(Bi) materials with band-gaps of ~1eV, taking advantage of in-situ wafer curvature measurements during the MBE growth to control the lattice-mismatch. Preliminary solar cells based on GaAs, 1 eV dilute nitride and metamorphic InGaAs have been fabricated and characterized validating the developed tunnel junction architectures. This work has enabled to demonstrate the potential of the type II GaAsSb/InGaAs heterostructure to meet the challenges posed by the conception and the fabrication of GaAsbased MJSCs, both for the tunnel junction and the 1 eV subcell.

Résumé

L’architecture des cellules solaires multi-jonction permet d’obtenir des records de rendement de conversion photovoltaïque, pouvant aller jusqu’à 46%. Leurs sous-cellules sont chacune conçues pour absorber une partie bien définie et complémentaire du spectre solaire, et sont connectées en série par des jonctions tunnel. La fabrication de cellules solaires tandem InGaP/GaAs d’énergies de bande interdite (« band gap ») 1,87 eV/1,42 eV accordées en maille sur substrat GaAs est bien maîtrisée, et de très hauts rendements peuvent être obtenus en ajoutant une ou deux sous-cellules de plus petit « gap » (1 eV et 0,7eV). Pour cela, les matériaux « petits gaps » fabriqués par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) doivent être développés ainsi que des jonctions tunnel présentant une faible résistivité électrique, une haute transparence optique et de bonnes propriétés structurales. La croissance EJM et la modélisation de jonctions tunnel GaAs nous a permis d’identifier le mécanisme d’effet tunnel interbande plutôt que le mécanisme d’effet tunnel assisté par les défauts comme mécanisme dominant du transport dans ces structures. Nous avons exploité l’hétérostructure de type II fondée sur le système GaAsSb/InGaAs pour favoriser ce mécanisme d’effet tunnel interbande, et donc obtenir des jonctions tunnel de très faible résistivité tout en limitant la dégradation des propriétés optiques et structurales des composants inhérente à l’utilisation de matériaux « petits gaps » et désaccordés en maille GaAsSb et InGaAs. De plus, nous avons conçu une structure innovante d’hétérojonction tunnel de type II AlGaInAs/AlGaAsSb sous la forme de tampon graduel pour l’incorporation d’une sous-cellule métamorphique à 1 eV. Plusieurs candidats pour le matériau absorbeur à 1 eV à base de nitrure dilué InGaAsN(Bi) ont alors été développés et caractérisés, le contrôle de l’accord de maille étant assuré par un suivi en temps réel de la courbure de l’échantillon pendant la croissance EJM. Des premières cellules solaires III-V à base de GaAs, de nitrure dilué à 1 eV et de GaInAs métamorphique ont été fabriquées afin de valider les architectures développées de jonctions tunnel. Ce travail a permis de démontrer le potentiel de l’hétérostructure de type II GaAsSb/InGaAs pour répondre aux principaux défis de conception et de fabrication des cellules solaires multi-jonction sur substrat GaAs, que ce soit au niveau de la jonction tunnel ou au niveau de l’incorporation des sous-cellules de gap 1 eV.

Mots-Clés / Keywords
Photovoltaïque; Epitaxie; Cellules solaires multi-jonction; Semiconducteurs III-V; Jonction tunnel; Photovoltaic; Epitaxy; Multi-junction solar cells; III-V semiconductors; Tunnel junction;

142198
17500
20/12/2017

Conception et réalisation de rectennas utilisées pour la récupération d'énergie électromagnétique pour l'alimentation de réseaux de capteurs sans fils

A.OKBA

MINC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 20 Décembre 2017, 159p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: T.P.VUONG, T.TARIS, Examinateurs: D.GRANENA, H.HALLIL ABBAS, P.CHAN, Directeurs de thèse: H.AUBERT, A.TAKACS, Membre invité: A.BELLION , N° 17500

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01705139

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Abstract

The electronic domain has known a significant expansion the last decades, all the advancements made has led to the development of miniature and efficient electronic devices used in many applications such as cyber physical systems. These systems use low-power wireless sensors for: detection, monitoring and so on. The use of wireless sensors has many advantages: • The flexibility of their location, they allow the access to hazardous areas. • The realization of lighter system, less expensive and less cumbersome. • The elimination of all the problems associated to the cables (erosion, impermeability…) • The deployment of sensor arrays. Therefore, these wireless sensors need to be supplied somehow with energy to be able to function properly. The classic ways of supplying energy such as batteries have some drawbacks, they are limited in energy and must be replaced periodically, and this is not conceivable for applications where the wireless sensor is placed in hazardous places or in places where the access is impossible. So, it is necessary to find another way to permanently provide energy to these wireless sensors. The integration and miniaturization of the electronic devices has led to low power consumption systems, which opens a way to another techniques in terms of providing energy. Amongst the possibilities, we can find the Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting (EH). In fact, the electromagnetic energy is nowadays highly available in our planet thanks to all the applications that use wireless systems. We can take advantage of this massive available quantity of energy and use it to power-up the low power wireless sensors. This thesis is incorporated within the framework of WPT and EH. Its objective is the conception and realization of electromagnetic energy harvesters called “Rectenna” in order to supply energy to low power wireless sensors. The term “rectenna” is the combination of two words: Antenna and Rectifier. The Antenna is the module that captures the electromagnetic ambient energy and converts it to a RF signal, the rectifier is the RF circuit that converts this RF signal into a continuous (DC) signal that is used to supply the wireless sensors. In this manuscript, several rectennas will be presented, for different frequencies going from the GSM frequencies (868 MHz, 915 MHz) to the Ku/Ka bands.

Résumé

L’électronique a connu une évolution incontestable ces dernières années. Les progrès réalisés, notamment dans l’électronique numérique et l’intégration des circuits, ont abouti à des systèmes plus performants, miniatures et à faible consommation énergétique. Les évolutions technologiques, alliant les avancées de l’informatique et des technologies numériques et leur intégration de plus en plus poussée au sein d’objets multiples, ont permis le développement d’un nouveau paradigme de systèmes qualifiés de systèmes cyber-physiques. Ces systèmes sont massivement déployés de nos jours grâce à l’expansion des applications liées à l’Internet Des Objets (IDO). Les systèmes cyber-physiques s’appuient, entre autre, sur le déploiement massif de capteurs communicants sans fil autonomes, ceux-ci présentent plusieurs avantages : • Flexibilité dans le choix de l’emplacement. Ils permettent l’accès à des zones dangereuses ou difficiles d’accès. • Affranchissement des câbles qui présentent un poids, un encombrement et un coût supplémentaire. • Elimination des problèmes relatifs aux câbles (usure, étanchéité…) • Facilité de déploiement de réseaux de capteurs Cependant, ces capteurs sans fils nécessitent une autonomie énergétique afin de fonctionner. Les techniques conventionnelles telles que les batteries ou les piles, n’assurent le fonctionnement des capteurs que pour une durée limitée et nécessitent un changement périodique. Ceci présente un obstacle dans le cas où les capteurs sans fils sont placés dans un endroit où l’accès est impossible. Il est donc nécessaire de trouver un autre moyen d’approvisionner l’énergie de façon permanente à ces réseaux de capteurs sans fil. L’intégration et la miniaturisation des systèmes électroniques ont permis la réalisation de systèmes à faible consommation, ce qui a fait apparaître d’autres techniques en termes d’apports énergétiques. Parmi ces possibilités se trouvent la récupération d’énergie électromagnétique et le transfert d’énergie sans fil (TESF). En effet, l’énergie électromagnétique est de nos jours, omniprésente sur notre planète, l’utiliser donc comme source d’énergie pour les systèmes électroniques semble être une idée plausible et réalisable. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre, elle a pour objectif la conception et la fabrication de systèmes de récupération d’énergie électromagnétique pour l’alimentation de réseaux de capteurs sans fil. Le circuit de récupération d’énergie électromagnétique est appelé « Rectenna », ce mot est l’association de deux entités qui sont « antenne » et « rectifier » qui désigne en anglais le « redresseur ». L’antenne permet de récupérer l’énergie électromagnétique ambiante et le redresseur la convertit en un signal continu (DC) qui servira par la suite à alimenter les capteurs sans fil. Dans ce manuscrit, plusieurs rectennas seront présentées, pour des fréquences allant des bandes GSM 868MHz, 915MHz, passant par l’UMTS à 2GHZ et WIFI à 2,45GHz, et allant jusqu’aux bandes Ku et Ka.

Mots-Clés / Keywords
Systèmes cyber-physiques; Capteur sans fil; Transfert d’énergie; Récupération d’énergie électromagnétique; Antenne; Redresseur; Rectenna; Cyber physical systems; Low-power wireless sensors; Wireless power transfer; Energy harvesting; Antennas; Rectifier;

142233
17468
08/12/2017

Conception et analyse de micro-résonateurs opt iques pour la générat ion de peignes de fréquences

C.ARLOTTI

PHOTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 8 Décembre 2017, 156p., Président:P.ARGUEL, Rapporteurs: P.FERON, R.OROBTCHOUK, Examinateurs: N.BELABAS, Directeurs de thèse: S.CALVEZ, G.ALMUNEAU , N° 17468

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01681181

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Abstract

Whispering-gallery –mode micro-resonators, whether in the form of disks, rings or racetracks, have become the key building blocks of many high-performance photonic components. The embodiments exploiting the III-V semiconductors are particularly attractive for they open the possibility of integrating active and passive sections together and therefore diversify the functionalities on the same photonic chip. Furthermore, the vertical integration of the resonator above its access waveguide(s) makes it possible to distribute the active and passive functions on distinct planes and makes the realization of the components easier by using better-controlled methods. A fabrication technique recently introduced in the team and based on the AlGaAs / AlOx technological platform, allowed us to realize, by means of simple steps, vertically-coupled microdisks. The performance of these components, however, is limited due to their architecture, complicated by their constitutive multilayer stack. The research carried out during this PhD thesis focused on the feasibility of emitting an optical frequency comb from these resonators. For this purpose, the components must be designed so as to present a sufficiently high quality factor while maximizing the power circulating in the cavity in order to be able to trigger the non-linear processes required for the comb generation. For a transverse singlemode component, the intracavity power is maximal when the system operates in critical coupling regime, i.e .when the losses inside the cavity are equal to external losses (or coupling losses). As a first step, we have developed a semi-analytical tool based on a modal expansion in order to carry out a broadband parametric study of the performances of vertically coupled systems. Up to now, this coupling layout has indeed been little studied, both theoretically and practically. Our generic model, based on the coupled mode theory (CMT) and the universal relations governing the spectral properties of coupled micro-resonators, reveals two theoretical conditions for obtaining an achromatic critical-coupling regime when the cavity and its access waveguide are phase-mismatched. We first applied it to the simulation of single-mode racetrack resonators made of Si3N4 / SiO2 since several studies have already demonstrated comb generation using this technological platform. Our work resulted in the design of phase-mismatched and technologically feasible structures with criticalcopuling bandwidths being increased by one order of magnitude compared to the reference case of phase-matched waveguides. We subsequently initiated a numerical evaluation of frequency comb generation, based on the iterative resolution of the non-linear Schrödinger equation taking into account the variations of the spectral and dispersive properties of these racetracks. The generic model has finally been applied to AlGaAs / AlOx microdisks. For this purpose, we have introduced a criterion allowing an unambiguous implementation of CMT in the case of asymmetric couplers having a multi-layer separation zone. The results, in good agreement with experimental data, allowed us to better understand the limitations of the fabricated devices and to propose new structures AlGaAs / AlOx with improved performances. The experimental validation of the proposed designs for both the Si3N4 / SiO2 and AlGaAs / AlOx components is currently in progress.

Résumé

Les micro-résonateurs à modes de galerie, qu’ils soient déclinés sous forme de disques, anneaux ou hippodromes, sont devenus les éléments constitutifs clés de nombreux composants photoniques de haute performance. Les réalisations exploitant les semiconducteurs III-V sont particulièrement attrayantes car elles ouvrent la possibilité d’intégrer conjointement des sections actives et passives et donc de diversifier les fonctionnalités sur une même puce photonique. Au niveau technologique, l’intégration verticale du résonateur au-dessus de ses guides d’accès permet de distribuer les fonctions actives et passives sur des plans distincts et de faciliter la réalisation des composants grâce à des procédés mieux maitrisés. Une technique de fabrication récemment introduite dans l’équipe et basée sur la filière AlGaAs/AlOx a ainsi permis de réaliser, à l’aide d’étapes simples, des micro-disques couplés verticalement à leur guide d’accès. Les performances de ces composants restent toutefois limitées en raison de leur architecture, complexifiée par les empilements multicouches qui les constituent. Les travaux de recherche menés au cours de cette thèse ont porté sur la faisabilité d’émettre un peigne de fréquences optiques à partir de ces résonateurs. Pour cela, les composants doivent être conçus de manière à présenter un facteur de qualité suffisamment élevé tout en maximisant la puissance circulant dans la cavité, afin de pouvoir déclencher les processus non-linéaires à la base de la génération du peigne. Pour un composant monomode transverse, la puissance intracavité est maximale lorsque le système opère en régime de couplage critique, c’est-à-dire lorsque les pertes internes à la cavité sont égales aux pertes externes (ou pertes par couplage). Nous avons donc développé un outil semi-analytique basé sur une expansion modale afin de réaliser une modélisation paramétrique large bande des performances des systèmes couplés verticalement, encore peu étudiés, tant au plan théorique que pratique. Notre modèle générique exploite la théorie des modes couplés (CMT) et les relations universelles régissant les propriétés spectrales des micro-résonateurs couplés. Nous l’avons étendu en étudiant l’influence spectrale de différents paramètres opto-géométriques sur la fonction de transfert de la cavité couplée et avons, en particulier, mis en évidence par une approche variationnelle, deux conditions théoriques permettant d’obtenir un régime critique achromatique lorsque la cavité et son guide d’accès sont désaccordés en phase. Ce modèle à d’abord été appliqué à la simulation de résonateurs en hippodromes exploitant la filière Si3N4/SiO2 car plusieurs études ont déjà démontré la génération de peignes avec cette plateforme technologique. Ces travaux ont abouti au dessin de structures désaccordées en phase et technologiquement réalisables dont la bande passante critique est augmentée d’un ordre de grandeur par rapport au cas plus répandu de guides accordés en phase. Nous avons ensuite initié une évaluation numérique de la génération de peignes de fréquences, basée sur la résolution itérative de l’équation de Schrödinger non-linéaire prenant en compte les variations des propriétés spectrales et dispersives de ces hippodromes. Le modèle générique a enfin été appliqué aux micro-disques AlGaAs/AlOx. Pour cela, nous avons introduit un critère permettant d’utiliser la CMT dans le cas de coupleurs asymétriques présentant une zone de séparation multicouche. Les résultats, en bon accord avec l’expérience, nous ont permis de mieux appréhender les limitations des dispositifs réalisés et de proposer de nouvelles structures pour en améliorer les performances. Le dessin d’une nouvelle structure AlGaAs/AlOx multicouche permettant d’améliorer les facteurs de qualité des résonateurs jusqu’à deux ordres de grandeurs a ainsi été proposé. La validation expérimentale des dessins proposés tant pour la filière Si3N4/SiO2 que AlGaAs/AlOx est en cours.

141873
17379
01/12/2017

Oxide-confined VCSELs fabricated with a simple self-aligned process flow

L.MARIGO-LOMBART, S.CALVEZ, A.ARNOULT, H.THIENPONT, K.PANAJOTOV, G.ALMUNEAU

PHOTO, TEAM, Bruxelles

Revue Scientifique : Semiconductor Science and Technology, Vol.32, N°12, 125004p., Décembre 2017, DOI 10.1088/1361-6641/aa90ae , N° 17379

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01614784

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Abstract

We propose a simplified and easier fabrication process flow for the manufacturing of AlOx-confined VCSELs based on combining the oxidation step with a self-aligned process, allowing the mesa etching and two successive lift-off steps based on a single lithography step. The electro-optical confinement achieved by standard lateral oxidation enables a low threshold and a single mode behaviour for the VCSEL. This simplified process can largely improve VCSEL manufacturing by reducing the processing time and costs compared to the standard VCSEL process. Introduction: Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL) have become the preferred light sources in many photonic systems, enabling short-link interconnections [1] but also in other emerging mass-market applications like sensing and detection [2]. The large production volume of VCSELs would benefit from a simplification of the manufacturing process flow that may largely increase the cost-effectiveness. Indeed, compared to the LED and LDs, the VCSEL fabrication process flow requires a large number of elementary steps defined by successive inter-aligned photolithography levels. A precision in the micron range is required to ensure the lateral alignment between the optical waveguide and the electrical injection. For these reasons, one of the most important concerns for the VCSEL manufacturers is to improve the production throughput by lowering the fabrication time and cost per wafer. The development of a self-aligned process is of great interest as already demonstrated for the fabrication of high performance HBT transistors or ridge lasers [3,4]. To that extent, Al-Omari [5] used a top metallic contact deposited over a photoresist layer as a hard mask to dry-etch the VCSEL mesa. Chua [6] developed a pseudo-planar approach by opening via holes down to the AlAs layer to carry out the lateral oxidation. This process has subsequently been improved by Strzelecka [7] to increase the device density. Recently, we have shown that air-post VCSELs could be created using an innovative self-aligned process, which combined several masking and lift-off steps defined by a single lithographic step [8]. In this paper, we extend this work and propose a new process flow to fabricate, in a very simple and straightforward way, the widely-used oxide-confined VCSELs. The demonstrated process drastically simplifies the oxide-confined VCSEL fabrication by reducing the total number of lithographic alignment steps from four or more to only one alignment, with the additional advantage of relieving the required tolerances. This process flow, most suitable for 3D imaging and sensing applications, can also be easily implemented for the fabrication of other optoelectronic devices such as modulators, ridge waveguide lasers, detectors, solar cells or any process combining dry etch, passivation and metallization.

141294
17462
01/12/2017

Lithographie par nanoimpression pour la fabrication de filtres à réseaux résonants en cavité

S.AUGÉ

PHOTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 1er Décembre 2017, 192p., Président: P.ARGUEL, Rapporteurs: J.BOUSSEY, Y.JOURLIN, Examinateurs: V.YAM, Directeurs de thèse: O.GAUTHIER LAFAYE, A.MONMAYRANT , N° 17462

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01680890

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Abstract

Cavity resonator integrated grating filters (CRIGFs) are a new generation of nanostructured reflective filters. They present a strong interest for many applications. However, their manufacturing is relatively complex: CRIGFs are components structured at small scales compared to the wavelength of interest but on a relatively large area. They are usually made by electron beam lithography technique which presents a sufficient resolution but does not allow parallel patterning and is thereby time consuming for large area components. Furthermore, CRIGFs are often fabricated on insulating wafers which make the e-beam lithography process more complicated. In this PhD, a CRIGF process manufacturing has been implemented through soft mold nanoimprint lithography (SNIL). This high throughput collective technology keeps the benefits of the traditional electron beam lithography while overcoming its limits. Nano-scale patterns can be made by a simple stamping under UV exposure of a soft mold on a polymer resist layer. After stabilizing the process and assessing the technique limits, plenty of CRIGFs have been manufactured. They exhibit optical performances in the near-infrared range equivalent to those manufactured by e-beam lithography. Secondly, it has been demonstrated that the implemented process is generic. We have shown the possibility to overcome the usual design trade-offs by structuring directly the waveguide, before embedding. Moreover, this same process has been shown to be applied in a straightforward way to fabricate CRIGFS in the mid-infrared range using a III-V crystalline material and micrometric sized patterns. Finally, we have demonstrated the great flexibility and sustainability of the process by testing different potential geometries of CRIGFs. Notably, we have designed a CRIGF with a period gradient leading to the first tunable CRIGF ever demonstrated. Lastly, we have evaluated the potential manufacturing of complex CRIGFs with several corrugation levels.

Résumé

Les filtres CRIGFs sont une nouvelle génération de filtres optiques réflectifs nanostructurés qui présentent un très fort intérêt pour de nombreuses applications. Cependant, leur fabrication est relativement complexe : il s’agit de composants structurés à des échelles petites devant la longueur d’onde d’utilisation, mais de surface totale relativement grande. Ils sont usuellement fabriqués en utilisant des procédés de lithographie de type lithographie électronique, qui présente une résolution suffisante mais qui est séquentielle et donc lente pour de telles surfaces de composant. En outre, les CRIGFs sont souvent réalisés sur des substrats isolants, ce qui complexifie encore plus l’utilisation de cette lithographie. Lors de cette thèse, un procédé de fabrication des CRIGFs a été développé à partir de la lithographie par nanoimpression via moule souple (SNIL). Cette technologie collective et à haut rendement contourne les inconvénients et garde les avantages de la traditionnelle lithographie électronique. Elle permet de fabriquer des motifs nanométriques par simple pressage d’un moule souple sur une couche de résine de polymères sous insolation d’ultraviolets. Après avoir stabilisé le procédé et établi les limites de la technologie, de nombreux filtres CRIGFs ont ainsi été créés. Ils présentent des résultats optiques équivalents dans le proche infrarouge (NIR) à ceux fabriqués par lithographie électronique. Dans un deuxième temps, le caractère générique du procédé mis en place a été démontré de plusieurs façons. Premièrement, nous avons montré qu’il était possible à l’aide de celui-ci de dépasser les compromis usuels de conception en structurant directement le guide d’onde, qui sera ensuite ré-encapsulé. Deuxièmement, nous avons montré que ce même procédé pouvait être directement transféré pour réaliser des filtres CRIGF dans la gamme du moyen infrarouge, bien que les filtres soient alors réalisés sur un matériau cristallin III-V et présentent des dimensions micrométriques plutôt que nanométriques. Enfin, nous avons démontré la grande souplesse et stabilité du procédé en l’utilisant pour explorer différentes géométries potentiellement intéressantes de cette nouvelle famille de filtres optiques nanostructurés. Nous avons notamment étudié des CRIGFs comportant un gradient de période qui ont permis pour la première fois d’obtenir un filtre CRIGF accordable. Pour finir, nous nous sommes attachés à étudier le potentiel de réalisation de filtres CRIGFs plus complexes et présentant plusieurs niveaux de corrugation.

Mots-Clés / Keywords
Nanoimpression; filtre à réseaux; lithographie à haute résolution; SNIL; CRIGF; Nanoimprint; Grating filter; High resolution lithography;

141853
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