Voie optique : MOEMS-VCSELs

 

Analyse optique à l'aide de MOEMS-VCSELs dans le proche infra-rouge

Personnel impliqué : V. Bardinal, Y. Zhao, B. Boisnard, B. Sadani, G. Petit, T. Camps, E. Daran (TEAM), J.B. Doucet (TEAM), B. Reig (TEAM).

Accès disque partagé MICA-OPTO-VCSEL

 

 

Actualités :

 

Projet DOCT-VCSEL

 

Objectifs :

 

L'équipe MICA vise la réalisation de microsystèmes optiques à base de sources laser VCSELs à 850nm pour la biodétection et l'instrumentation.

Les lasers à cavité verticale (VCSELs pour Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) ont en effet drainé ces dernières une attention particulière en tant sources lumineuses adaptées aux communications optiques, au stockage des données ou encore à l’impression laser. Le potentiel qui a été démontré ainsi que la flexibilité de ces nouveaux composants optoélectroniques a récemment fortement contribué à l’essor de nouveaux domaines d’applications relatifs aux micro-capteurs et à l’instrumentation notamment biomédicale.

Fort de ce nouvel intérêt, des fonctions dérivées de ce composant restent maintenant à être développées dans le but de poursuivre et d’étendre les possibilités d’intégration des VCSELs dans les microsystèmes à venir. Deux aspects primordiaux restent maintenant à être traités dans cette prospective : l’adaptation de la source laser au microsystème susceptible de l’intégrer grâce à la micro-optique polymère intégrée et la diversification et/ou l’association de fonctions intégrées (photodétection interne, accordabilité).

                        

(A gauche) vue schématique d'un VCSEL à diaphragme d'oxyde testé sous pointes, (à droite) vue MEB d'un MEMS polymère pour la fabrication de lentilles accordables sur VCSELs

 

Détail des études en cours :

 

  • Collimation collective et sur mesure des 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.

Tout d’abord, l'intégration de microlentilles polymère sur des composants VCSEL a nécessité  le développement d’une technique de dépôt localisé et de fabrication de piédestaux en SU-8 sur lesquels les lentilles sont déposées. Leur taille et leur forme 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°)[IEEE Phot. Technol. Lett. Vol 21, 1592-1594, 2010]. 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).

Enfin, la fiabilité optique et mécanique de la SU8 en tant que matériau pour la micro-optique sur VCSEL a été récemment vérifiée [2014 Jpn. J. Appl. Phys. 53 08MC03].

   

(A gauche) Image au microscope optique d'une matrice de piédestaux cylindriques [30-140µm] sur lesquels sont déposées les microlentilles. Insert : Image au microscope électronique de microlentilles tégrées à un émetteur VCSEL. (A droite) Divergence du faisceau sans et avec microlentille intégrée Insert : Courbe puissance-courant correspondante.

 

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  • 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  a été réalisée. Les premiers résultats de mesure du profil du faisceau en présence de la pointe montrent une forte focalisation à courte distance en accord avec nos modélisations, 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 pointes de focalisation auto-écrites sur un VCSEL  avec des conditions d’exposition différentes [Appl. Phys. Lett. 96, 2010] [Optics Express, Vol. 20, Issue 20, pp. 22922-22933 (2012)]

 

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  • 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 (COMSOL) 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 Micro-Engineering, 22 065006, 2012]. Les premiers résultats d’intégration sur VCSELs multimodes ont permis de focaliser le faisceau laser à 300µm de la lentille, ce qui permettra leur association à une chambre d’analyse [Communication invitée MicroOptics  Conference MOC'13, Tokyo, Japon, 27-30 octobre 2013] [Communication invitée IEEE OMN'13 conference, Kanazawa, Japon, 18-22 aout 2013]. Des modélisations électro-thermomécaniques tri-dimensionnelles ont permis de confirmer ces résultats  [SPIE Proc. Papers  9130- (2014)].

                

(A gauche) Principe de correction dynamique du faisceau VCSEL grâce à un MOEMS polymère intégré à actionnement électrothermique (A droite) MOEMS polymère pour la focalisation active des VCSELs en couverture du Journal of Micromechanics and Microengineering et retenu pour les faits marquants 2012 de la revue.

 

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  • Electrodes Transparentes Conductrices pour l’optimisation de l’injection électrique dans les composants optiques

Disposer de composants optiques de forte puissance et à faible consommation constitue un des challenges pour les capteurs optiques.  Le LAAS travaille sur cette problématique depuis son implication dans le projet FunFACS sur les lasers à solitons de cavité (Thèse E. Havard groupes PHOTO/N2IS). Plusieurs procédés technologiques ont été mis en place sur des  VCSELs de large surface pompés électriquement,  notamment des contacts transparents ITO, et une localisation spatiale de l'injection visant à une uniformisation de l'injection. Dans ce cadre, une étude sur la modélisation électrique a permis de proposer des solutions génériques et efficaces pour améliorer l'injection des porteurs dans la cavité.  Un des résultats marquants de cette étude a été la démonstration de VCSEL de forme allongée avec une puissance de 50mW. [European Physical Journal D, 59, 1, 2010].

Ces travaux se poursuivent actuellement sur l'évaluation d'Oxydes Conducteurs Transparents (TCO) alternatifs à l’ITO de type ZnO :Al déposé par ALD en collaboration avec le NCKU à Taïwan. [SPIE proc. Paper 9137-49, 2014)].

 

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  • Photodétection intégrée aux VCSELs

Nous avons étudié par le passé le guidage latéral de l'émission dans le plan de la cavité du VCSEL pour l'appliquer au monitoring de puissance intégré. Ce guidage a été démontré expérimentalement au sein d'une structure VCSEL [Electron. Lett. Vol 41, 3,2005] et les mécanismes mis en jeu ont été modélisés avec l'ENIB-RESO de Brest (Y. Boucher) [Optical and Quantum Electronics, Vol 38, n°4-6,2006].

Ces travaux se poursuivent désormais avec l'équipe OSE (J. Perchoux, T. Bosch) pour évaluer l'intérêt de cette approche générique pour la vélocimétrie Doppler par self-mixing dans un VCSEL pour application biomédicale. L'intégration de la fonction de détection est en effet primordiale pour ces capteurs optiques compacts.

 

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  • Contrats de collaboration

En cours

Projets antérieurs

  • FAST MOEMS : "Micro-optique polymère à actionnement ultra-rapide pour l'imagerie biomédicale" (AO1, 2012-2013)
  • AZOLED :"Transparent electrodes and reflective structures based on ZnO for high efficiency Light-Emitting Devices" (NSC NCKU 2012-2014)
  • NIR OPTICS : "Micro-optiques sur VCSELs  par photopolymérisation auto-guidée dans le proche Infrarouge" (ANR blanc 2009-2012; coll. IS2M, LNIO)
  • FIAB SU-8 : "Tenue Thermique en atmosphère humide des propriétés optiques et mécaniques de la SU-8"  (projet région 2008-2012, labellisé Aerospace Valley,  coll.CIRIMAT, EADS-Astrium, NOVAMEMS)

(dans le groupe photo)

  • MIOPY : MIcro-Optique intégrée à base de PolYmères (projet LAAS 2006-2009)
  • Optonanogen - Integrated OPTO-NANOmechanical Biosensor for functional GENomic Analysis - (IST-2002-2005) (coll. CNM Madrid, Séville et Barcelone, CRL Southampton, Genetrix)
  • FunFACS - Fundamentals, Functionalities and Applications of Cavity Solitons - (IST-FET-STREP 2004-2007) (coll. LPN, INLN, USTRAT, Univ. Bari, Univ. Como)
  • OSA 131 - Multi-standard transmitter micro-module working at 1.31 µm and 10 Gbit/s - (RMNT - French Research Network in Micro and Nano Technologies) (coll. Intexys, LETI, Infineon)

 

 

 

 

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