Faculté des sciences

Study and fabrication of a micro scanner for optical applications

Pétremand, Yves ; De Rooij, Nicolaas-F. (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2008 ; Th.2022.

Etant actuellement exécuté sur de très complexes et coûteux équipements, l’alignement optique d’émetteurs et récepteurs de 10Gb/s à fibres optiques monomodes se trouve être le talon d’Achille pour la fabrication à gros volumes de tels systèmes. Dans le but de résoudre ces problèmes, de nouvelles technologies doivent être développées pour aligner des micro-composants tels que... Plus

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    Résumé
    Etant actuellement exécuté sur de très complexes et coûteux équipements, l’alignement optique d’émetteurs et récepteurs de 10Gb/s à fibres optiques monomodes se trouve être le talon d’Achille pour la fabrication à gros volumes de tels systèmes. Dans le but de résoudre ces problèmes, de nouvelles technologies doivent être développées pour aligner des micro-composants tels que les micro-lentilles et les fibres optiques avec d’autres modules optiques. Bien que l’alignement passif utilisant des structures de guidage intégrées semble intéressant à premier abord, elles ne peuvent être utilisées efficacement que pour des micro-lentilles pouvant tolérer des erreurs de positionnement de plusieurs micromètres. Afin de résoudre ce dernier problème, nous proposons un nouveau scanner bidimensionnel MEMS comprenant une micro-lentille afin d’accomplir activement l’alignement optique de modules à fibre optique par déflexion d’un faisceau de lumière. Bien que des techniques similaires aient été démontrées, nous décrivons une technologie unique utilisant une puce en silicium microstructuré de 2x2.7mm de côtés et caractérisé par un rayon d’action dans le plan XY de l’ordre de ±30 μm, un actionnement à l’aide de peignes interdigités électrostatiques et une lentille en silicium hybride permettant d’être bloquée en place après positionnement. Cette thèse présente la conception, la fabrication et le principe d’opération d’un déflecteur de faisceau lumineux basé sur une puce MEMS pour le couplage de la lumière entre une diode laser et une fibre optique. La puce MEMS consiste en un scanner bidimensionnel mobile basé sur un actionnement unidimensionnel à peignes interdigités électrostatiques. Une micro-lentille en silicium est assemblée sur la plateforme mobile afin de focaliser et dévier un rayon laser -provenant d’une diode laser- et de le coupler dans une fibre optique monomode. L’assemblage d’un système complet a été accompli et des mesures ont été effectuées à l’aide de ce module. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus lors des simulations. Autant la mesure de la trajectoire du MEMS que sa fréquence de résonnance correspondent très bien avec les simulations.
    Summary
    Being currently performed on highly complex and expensive equipments, active optical alignment of single mode 10Gb/s transmitters and receivers is proving to be the bottleneck process for high volume manufacturing. In order to alleviate this production burden, new integrated technologies are required to align micro-components like micro-lenses and optical fibers with photonic devices. Although passive alignment using Silicon micro-machined V-grooves seems to be very attractive at first, it has only been successfully implemented for micro-lens which can tolerate up to several microns of misalignment. To resolve the latter issue, we propose a MEMS XY scanner mounted with a micro-lens to actively perform optical alignment of fiber optics modules by steering a beam. Although similar techniques have been demonstrated, we describe a unique technology using a 2x2.7mm silicon bulk micro-machining chip characterized by ±30 μm XY range of motion, electrostatic comb drives actuation and a silicon hybrid lens with alignment locking capability. This thesis presents the design, fabrication and operation principle of an optical beam steerer for laser fiber coupling based on a MEMS device. The MEMS chip consists on a bi-dimensional movable platform based on uni-dimensional comb drive actuation. An optical lens is assembled onto the mobile platform to focus and steer the light coming from a laser diode and couple it into an optical fiber. Assembly of a complete system and measurements were performed and compared to simulation results. Both the trajectory of the MEMS and resonance frequency measurements agree with the simulated ones.