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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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LES TENDANCES TECHNOLOGIQUES

cinquième partie (5/8) : optique

interféromètres intégrés
diverses applications
spectromètre à 2 wafers
le top de l'intégration
spectromètre de type Fabry-Perot
le multi spectromètre
interconnexion : la microphotonique
l'avenir des télécoms
cas de la sécurité intrinsèque
un problème majeur
une collection d'icônes pour visiter tout le site
micro-capteurs à optique intégrée

Les progrès des techniques de micro-usinage, d'une part, et de dépôt de couches actives diverses, d'autre part, ont permis récemment la réalisation de dispositifs intégrant non seulement des composants électroniques mais aussi des micro-dispositifs optiques. Les plus spectaculaires ont d'abord été les micro-miroirs orientables via un simple champ électrique.


réseau de micro-miroirs

Nous prendrons ensuite l'exemple des spectromètres destinés à analyser la couleur et très employés en contrôle qualité en milieu industriel ou pour les produits agricoles.
interféromètres intégrés

Notons la tendance qui se développe très récemment consistant en l'association des fibres optiques et des techniques de la microélectronique pour faire des dispositifs à optique intégrée qui utilisent le plus souvent un laser extérieur car la technologie ne permet pas encore d'intégrer, à de rares exceptions près, le laser sur le chip optique. L'élément le plus original est sans conteste le multiplexeur optique.
En effet, pour exploiter les techniques optiques on est le plus souvent amené à diviser un faisceau en 2 : une voie de mesure et une voie de référence, ce qui permet de s'affranchir des fluctuations de la source de lumière. Selon les cas les deux faisceaux sont synchrones ce qui signifie qu'on a divisé par deux la quantité de lumière dans chacune des voies, soit ils sont multiplexés c'est à dire que la lumière est alors utilisée de manière pulsée et chaque branche du dispositif reçoit alternativement la totalité de la lumière. Il faut pour cela réaliser un multiplexeur optique ce que l'on réalise aisément au niveau du guide d'onde intégré par le biais d'une commande électromagnétique via des électrodes métalliques intégrées en dessous du guide d'onde. Précisons qu'il est possible de sérier sur la même puce les multiplexeurs.

Rappelons cependant que la principale difficulté réside dans la connexion entre le coeur de la fibre optique et le "conducteur optique" interne à la puce en raison de l'écart énorme qui existe entre les géométries de ces deux éléments. En effet le coeur de la fibre optique est souvent de l'ordre de 50 µm avec une géométrie circulaire, alors que le guide d'onde intégré sera de type plan avec une épaisseur de l'ordre de 1 à 2 µm et une largeur souvent elle-même très inférieure à 50 µm. On va donc devoir émincer la fibre optique et terminer son extrémité par une lentille de géométrie adaptée pour éviter de perdre un maximum de lumière au niveau de la connexion.

On ne sait en fait pas très bien gérer correctement ce problème actuellement.
capteur de pression
Dans l'exemple ci-dessous, c'est par interférométrie que l'on va détecter la variation de pression qui déformant la membrane modifie le circuit optique.


La figure montre une vue générale du chip en coupe montrant le guide d'onde et la position du capteur. La figure suivante présente un agrandissement de la zone d'interconnexion guide optique-photodiode ou phototransistor. La partie membrane ne présente pas de particularité originale, elle est réalisée selon le même principe que dans le cas vu au chapitre précédent. La couche guide d'onde dans le domaine visible est constituée d'oxynitrure de silicium.


Avec un dispositif comportant 4 membranes en série de 0.04 mm2 on obtient une sensibilité de 13µV/ mbar pour une dimension totale du chip de 350 x 500 µm2 c'est à dire sensiblement les mêmes résultats que dans le capteur pour l'automobile décrit précédemment.
Autre exemple adapté à certaines analyses chimiques :
Cet interféromètre a été développé au Georgia Institute of Technology (USA). Le guide d'onde plan consiste en un support de verre, d'environ 1 inch, couvert d'un film mince dont l'indice de réfraction est légèrement supérieur à celui du verre. Ce film est supposé réagir de façon réversible avec le contaminant, il en résulte une variation de l'indice de réfraction proportionnelle à la concentration de contaminant.

Dans un interféromètre générique tel celui présenté les modifications d'indice sont mesurées par le biais d'un laser dont le faisceau est séparé en deux, l'un traversant le verre seul et fournissant la référence et l'autre traversant l'ensemble verre plus film. La dérive relative de phase est mesurée et fournit, via un étalonnage préalable, une mesure de la concentration. La sensibilité est parfois d'environ 0.001ppm.

En déposant plusieurs types de films réagissant à des polluants différents on peut réaliser des dispositifs multidétecteurs. En intégrant totalement le laser et le guide d'onde constitué d'un film de dodecylanilinium, ce qui réduit sensiblement le bruit, on a pu réaliser un capteur d'ammoniaque fonctionnant à l'air libre , totalement insensible à la vapeur d'eau et capable de détecter des concentrations d'ammoniaque aussi faibles que 100 ppb. Notons que ce capteur est produit en Géorgie par Photonic Systems Inc et vendu environ 100 $.


schéma de principe de l'interféromètre multivoie du GIT

spectromètre à 2 wafers
Un spectromètre comprend Une grille (réseau) est communément utilisée pour étaler le spectre de la lumière incidente. Avec les techniques de micro-usinage du silicium, on peut réaliser un réseau intégré ainsi qu'un réseau de détecteurs fonctionnant pour le visible aussi bien que le proche infra-rouge. Les photos ci-dessous montrent le principe du dispositif en coupe et le composant réalisé. Le microspectromètre est réalisé à partir de 2 wafers de type p, comportant une couche épitaxiée de type n, sur laquelle un etching electrochimique est mis en oeuvre pour construire les canaux. Après soudure des deux wafers, l'un à l'autre, les canaux forment un chemin optique entre la grille d'entrée et le réseau de photodétecteurs de sortie. Typiquement les détecteurs font 2µm de largeur et sont distants les uns des autres de 4µm. Une couche d'aluminium est déposée sur toute la surface. Elle va avoir une double fonction, d'une part c'est elle qui va être gravée pour constituer le réseau de diffraction d'entrée (grille) et au niveau du réseau de photodétecteurs elle joue un rôle d'écran pour éviter la lumière parasite venant de l'extérieur. Sur la figure on a représenté le chemin optique d'un rayon bleu et d'un rayon rouge. Précisons que la pente résultant de la gravure du silicium est de 57°4 ( résultat d'un etching avec de la potasse et du plan (111) retenu pour arrêter la gravure) mais présente une certaine "rugosité" alors qu'on souhaiterait évidemment un poli parfait. La solution consiste à exploiter l'astuce suivante. Sur le wafer du bas, responsable du chemin optique on va utiliser un verre au borosilicate, on procède alors à une refusion contrôlée et l'on obtient un poli adéquat.




Sur cette photo on distingue le spectromètre à 2 wafers (carré central) et l'on constate que pour en assurer la rigidité un cadre (noir) a du être mis en place.

spectromètre Fabry-Perot
Cette idée d'un double wafer a été exploitée dans une structure dite de Fabry-Perot. Ici le process de fabrication est identique pour les deux wafers. Lorsqu'on applique une tension adéquate entre les deux wafers on provoque une résonance dans la cavité à la longueur d'onde désirée. La limitation d'emploi provient du fait qu'on ne peut exploiter une très large plage de longueur d'onde sauf à accepter une large plage de tension appliquée.


Aussi une variante de ce dispositif consiste à réaliser n microspectromètres dont la distance entre les deux miroirs est différente sur un même substrat. Le principe de réalisation est différent on utilise un seul wafer et la technologie CMOS. La figure ci-dessous montre une coupe d'un des résonateurs Fabry-Perot.


On constate aisément que la distance entre les deux miroirs est figée par le biais d'une couche diélectrique déposée par PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition). Il suffit d'opérer le dépôt en plusieurs étapes pour avoir la possibilité d'avoir des couches diélectriques d'épaisseurs différentes, permettant alors de balayer tout le spectre. Noter que si le miroir inférieur est en aluminium pour assurer une bonne adhérence entre les couches, celui du dessus est en argent pour améliorer la réflectance.

La figure ci-dessous montre un exemple de réalisation à 16 canaux (vue de dessus) On constate la présence de deux canaux supplémentaires (à gauche) destinés à servir de référence et à compenser le courant d'obscurité.

les interconnections optiques : la microphotonique

L'actuelle limitation au développement des télécommunications et des systèmes les utilisant résulte de la nécessité, à chaque fois que l'on doit procéder à un aiguillage, de passer par l'intermédiaire d'un circuit électronique dont la rapidité est très inférieure à celle de transmission dans une fibre optique, ce qui entraîne donc des délais exxcessifs. Cependant l'association des techniques de la microélectronique et de la micromécanique, vues ci-avant, va induire des développements très intéressants qui risquent de provoquer une révolution au cours du 21ème siècle, plus importante que celle produite par les semiconducteurs au 20ème selon David Bak, rédacteur en chef de la revue Global Design. C'est pourquoi, même si cela ne concerne qu'indirectement le domaine de la mesure, nous allons en parler ici.

L'intégration de guides d'onde optique destinés à remplacer les interconnections optique-électrique-optique par le biais des procédés de la technologie MEMS présente 5 avantages:
  • les procédés tels la PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) peuvent être employés pour créer des structures guide d'onde sur des substrats de silicium
  • Ces composants occupent moins de place que leurs équivalents electromécaniques
  • ce qui se traduit en fait par l'existence dans un même composant d'un véritable système remplissant une fonction complexe
  • une autre conséquence est la réduction du nombre de fibres employées dans un bloc d'interconnexion
  • et, last but not the least, une réduction de coût.
La combinaison sur un seul chip des "splitters", "switches", "tap" et autres filtres ainsi que des guides d'onde est aujourd'hui la première étape pour éliminer les dispositifs optique-électrique-optique. On va donner pour exemple l'approche de Nanovation Technologies, une compagnie de l'Illinois. Leur fabrication est basée sur un wafer de silicium sur lequel une couche de silice de 15µm, obtenue directement par oxydation de surface, va servir de support au guide d'onde. Ensuite on fait croître une couche de 6 à 8 µm de silicium dopé au germanium (coeur du guide d'onde) laquelle sera gravée via un procédé lithographique classique (canaux ), enfin une couche de 15 à 20 µm de silice/phosphure de bore va sceller la couche guide d'onde. La concentration de dopant définit l'indice de réfraction de cette couche et permet le confinement de la lumière dans la couche guide d'onde. Ensuite on fait des découpes dans l'ensemble sur une trentaine de microns de profondeur (et quelques dizaines de µm de largeur), puis on place dans ces "trous" des composants optiques obtenus par la technologie MEMS et montés selon la procédure "flip chip" classique. Ceux-ci peuvent alors bloquer, réfléchir ou filtrer le faisceau lumineux. Le résultat c'est la possibilité de constituer des blocs fonctionnels qu'on va associer comme des pièces de "Lego".

cas de la sécurité intrinsèque
Nous traiterons ici un exemple de capteur à sécurité intrinsèque, destiné à fonctionner dans un environnement sensible tel celui des silos de produits pulvérulents (sucre en poudre ou céréales par exemple). Le problème des zones à risque d'explosion est qu'il faut impérativement éviter tout risque de génération d'une simple étincelle et donc tout cablage électrique susceptible de vieillir et donc de se rompre en générant ce risque d'étincelle. On va donc exploiter la fibre optique de deux manières:
  • d'une part une première fibre va transmettre de l'énergie sous forme lumineuse qui sera convertie en énergie électrique bas niveau au sein d'une puce comportant à la fois l'élément convertisseur, le capteur et son électronique associée
  • et d'autre part une seconde fibre reliée à la même puce recevra par le biais d'une diode LED un signal significatif de la grandeur à mesurer et le transmettra jusque hors de la zone dangereuse à un décodeur qui rétablira une information digitale conventionnelle.
Intéressons nous au convertisseur de puissance.

La cellule photovoltaïque D joue un double rôle; d'une part, celle d'un convertisseur lumière / électricité, mais aussi, d'autre part, celle d'un interrupteur. Chacun de ces rôles excluant l'autre. En effet la lumière transmise par la fibre optique est une lumière modulée à une certaine fréquence (quelques KHz).

fig. principe du convertisseur de puissance

Il en résulte pendant la phase d'éclairement un courant Iin qui, par le biais de la cellule LC, va permettre de transmettre à la charge une tension Vout supérieure à Vin aux bornes de la diode D, si le circuit oscillant oscille évidemment. Cela est obtenu en choisissant la fréquence de la lumière pulsée identique à celle de résonance du circuit LC. On remarque, qu'en absence de lumière, la diode D n'est pas passante et qu'alors l'oscillateur débite sur la charge .

On note VL = Vin quand la diode est passante VL = - Vout quand la diode est bloquée

Si T est la période de la pulsation, d le rapport cyclique des pulses et n un entier croissant 0,1,2...
VL = Vin pour nT < t < (n+d)T

VL = -Vout pour (n-d)T < t < (n+1)T
La tension de sortie s'exprime alors par Vout = Vin d / (1-d) et le courant Iout = Iin / (1-d)

L'efficacité (ou rendement de conversion) Pou t/ Pin = d théoriquement.

En pratique pour f = 3KHz et d = 0,9 on obtient un rendement de 82% car il y a quelques pertes dans D1, L et un courant inverse dans D .

Au retour on utilise une technique semblable. Comme on dispose de peu de puissance, le signal fourni par le capteur ne va pas être converti en lumière selon un processus linéaire. On va faire en sorte qu'il génère de la même façon un signal haché dont, soit la fréquence, soit le rapport cyclique seront en relation avec l'amplitude de la grandeur mesurée. Ainsi l'affaiblissement du signal lors de la transmission n'aura pas d'influence.

sur les capteurs à fibres optiques et optique intégrée:

F. Savatier, les capteurs à fibres optiques, Industries et Techniques, 1995, N°764, pp 53-55.

P. Ferdinand, Capteurs à fibres optiques et réseaux associés, Technique et Documentation, Paris,1992.

G. Hincelin, Cours d'Electronique B7, CNAM/MEDIAS, Paris, 1997, pp 102-117.

P. Lecoy, Télécommunications optiques, Hermès, Paris, 1992.

M. Ketata &al., Mesures de contraintes-déformations par fibres optiques, OPTO 88, Paris, 17-19 mai 1988, pp 271-273.

Wolfbeis O.S., Fiber optic chemical sensors and biosensors, CRC Press (Boca Raton), 1991.

Seong-Ho Kong & al., Integrated Silicon Microspectrometers, IEEE Measurement and Instrumentation Mag., 2001,Vol 4 (3), pp 34-37