Introduction à la Micro-Optique

Origine des microsystèmes optiques

Introduction

Les microsystèmes optiques se trouvent au croisement de trois grands domaines :

  • la micro-mécanique;

  • la micro-électronique;

  • l'optique / photonique.


   
    Image 03 - Les trois grands domaines des microsystèmes optiques
Image 03 - Les trois grands domaines des microsystèmes optiques [zoom...]

La micro-mécanique est très ancienne, elle remonte au XIVème siècle. Elle provient de l'industrie horlogère et de sa miniaturisation pour réaliser des montres (réalisation de micro-engrenages et de micro-actionneurs). Mais la miniaturisation à l'extrême implique toujours plus de nouvelles technologies qui soulèvent alors toujours plus de problèmes, comme par exemple :

  • la théorie de la mécanique est-elle encore valable ?

  • l'inertie : masses ultra-faibles (composants de surface), mises en mouvement instantannées des composants;

  • la prédominance des forces électrostatiques sur les effets magnétiques alors que c'est le contraire à l'échelle macroscopique;

  • la compensation des variations de température.

La réalisation de micro-machines repose sur la fabrication de structures micro-mécaniques à l'aide de techniques de gravure pour enlever une partie du substrat ou de couches fines. Cela se complique rapidement lorsqu'on souhaite réaliser des dispositifs avec des empilements structuraux.

Le silicium (Si ) constitue un matériau d'exception pour ces micro-structures. Sa masse volumique est très importante : 2,4.103 kg.m-3 et son module d'Young est élevé 1,3 à 1,7.1011 Pa. On va voir ci-après que ces caractéristiques importantes pour des réalisations en micro-mécanique vont s'associer avec celles de la microélectronique.

Quelques dates :

  • 1962 : première membrane à haute sensibilité en silicium pour réaliser un capteur de pression;

  • 1970 : gravure isotrope du silicium suivant les axes cristallins pour réaliser ces membranes;

  • 1976 : gravure anisotrope;

  • 1980 : les premiers MEMS;

  • 1990 : diversification de ces dispositifs pour la chimie, la biologie, la microfluidique et le biomédical.

Les technologies vont bénéficier de ce que l'on pourrait appeler quatre révolutions.

Première révolution technologique : celle de la microélectronique.

C'est la première et la plus importante. Dans la seconde partie des années 1930, les laboratoires Telephone Bell envisagent de remplacer en téléphonie les commutateurs (switch) mécaniques par des commutateurs électroniques. Deux matériaux semi-conducteurs vont alors être principalment utilisés : le silicium (Si ) et le germanium (Ge ) qui présentent des valeurs de bandes interdites (band gap) de 1,11 eV pour le silicium et de 0,67 eV pour le germanium.

Le silicium va révolutionner la technologie pour aboutir aux circuits intégrés, notamment parce qu'il propose une valeur de bande interdite plus élevée. Toutefois le germanium n'est pas pour autant abandonné notamment parce qu'il est transparent aux longueurs d'onde des télécommunications (autour de 1550 nm) et pas le silicium.

Trois découvertes ont rendu cette révolution possible :

  • la découverte de l'effet transistor (pour transfer resistor) avec les matériaux semi-conducteurs en 1947 par William Schockeley, Walter Brattain et John Bardeen (prix Nobel 1956);

  • le développement de la technologie du transistor planaire en 1959 par Bob Noyce (co-fondateur d'Intel);

  • L'invention du premier circuit intégré (CI ) en 1959 chez Texas Instruments par Jack Kilby (prix Nobel 2000).

En 1959 toujours, Bell annonce le premier Metal Oxyde Silicon transistor (MOS ) par opposition aux technologies bipolaires. C'est la version intégrée du transistor.

En 1960, l'industrialisation des circuits intégrés débute au Japon avec Hitachi et Toshiba ainsi qu'aux Etats-Unis avec Motorola.

En 1965, Gordon Moore observe que le nombre de transistors intégrés sur une plaquette de silicium doublait chaque année, observation bientôt révisée à 18 mois et il décrit la courbe que l'on baptise loi de Moore qui prédit que la taille moyenne d'un transistor devrait descendre à 100 nm en 2005 pour atteindre 35 nm en 2014.


   
    Image 04 - Moore's Law (1964)
Image 04 - Moore's Law (1964) [zoom...]

Une telle évolution ne pourra pas continuer éternellement parce que si les composants atteignent les tailles atomiques, les lois de la physique changent et les technologies ne sont plus adaptées.

A ce moment là, il n'y pas de solution connue pour remplacer le silicium.

Deuxième révolution technologique : celle des RF et des technologies sans fil

Où les communications deviennent portables et sans fil.

Les origines remontent à 1901 et aux travaux de Marconi sur les radiofréquences RF (prix Nobel 1908) mais les développements des technologies sans fil (wireless) sont beaucoup plus récents.

Ces dispositifs nécessitent des dispositifs de faibles dimensions alliés à de très faibles coûts de production.

Troisème révolution technologique : celle de la photonique

Elle correspond au développement des télécommunications par fibres optiques.

En 1970, Corning Glass a mis au point les premières fibres très transparentes. A la même époque, Bell Labs mettaient au point les premiers lasers à semi-conducteurs fonctionnant à température ambiante.

On s'aperçoit alors qu'il n'y a pas de meilleur matériau connu pour ces applications que la fibre optique et que la lumière est la source de signal la plus performante pour ces applications.

La photonique était née et présentait la capacité intéressante de pouvoir transmettre plusieurs longueurs d'onde luminueuses différentes simultanément dans la même fibre. C'est le multiplexage, WDM (ou DWDM) pour « wavelength division multiplexing ».

En 2002, une source lumineuse standard était capable d'émettre 1016 photons par seconde, un détecteur de mesurer 1 bit de seulement 10 photons à la cadence de 1015 bits/s à travers une seule fibre optique et on était capable de traiter 64 canaux multiplexés.

Quatrième révolution technologique : celle des MEMS

Les MEMS sont considérés comme l'étape suivante dans la révolution de la microélectronique et de nombreux chercheurs pensent qu'ils deviendront aussi omniprésents que les microprocesseurs.

A l'heure actuelle, ils permettent la construction de systèmes qui intègrent :

  • soit une fonction d'actuation (micro-moteur);

  • soit une fonction de détection (micro-capteur).

Pour réaliser :

  • des têtes d'imprimantes jet d'encre,

  • des gyroscopes,

  • des micromoteurs,

  • des micropompes,

  • des micro-bancs optiques,

  • des platines d'alignement de micro-miroirs,

  • des commutateurs optiques;

  • des bolomètres,

  • des biopuces pour le séquençage de l'ADN, .

  • ..

Le développement de la microélectronique a suivi la loi de Moore : « smaller is better » et on a conçu des systèmes en connectant des blocs élémentaires génériques (transistors), universels pour différentes applications. Pour les MEMS, le parallèle ne tient cependant pas puisque la notion de blocs élémentaires génériques n'existe pas.

Et l'optique dans tout cela ?

Les dispositifs photoniques tendent à s'intégrer « naturellement » avec les MEMS puisque les technologies de microfabrication existent déjà en optique intégrée :

  • LED, Diode laser, Laser;

  • Fibre optique;

  • Guides d'ondes intégrés, modulateurs pour les télécommunications;

  • Miroirs, réseaux de diffraction;

  • ...

Puisque les longueurs d'ondes optiques concernent le visible et le proche infra-rouge, les composants d'optique intégrée se situent à l'échelle du micromètre.

Les outils théoriques sont de même disponibles à cette échelle (diffraction scalaire).

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