Microactionneurs Les microactionneurs sont utilisés pour déplacer finement des composants optiques miroirs, fibres, lentilles afin de réaliser des fonctions optiques sophistiquées de man
Trang 1Dossier MEMS
1
Micro-usinage de volume
Les matériaux cristallins peuvent êtres usi-nés très précisément par attaque chimique anisotrope La vitesse d’attaque de sub-strats cristallins (silicium, quartz, etc.) par certains bains d’attaque chimique dépend beaucoup des directions cristallines du
matériau (figure 1a) À partir d’un masque
de protection (non attaqué par le bain
d’attaque, et défini par photolithographie), l’attaque chimique fait apparaître des plans bien déterminés, ce qui permet d’obtenir des formes définies avec grande précision dans l’épaisseur du substrat Les plans cris-tallins obtenus peuvent avoir de bonnes qualités optiques et éventuellement servir comme miroirs Cependant, comme les formes produites sont limitées par des plans cristallins, il n’est pas possible d’ob-tenir une forme géométrique arbitraire
Une application populaire de cette technolo-gie est la production de rainures en V ser-vant de supports de précision aux fibres optiques Des rainures en V, permettant d’as-surer le positionnement vertical (enterrage)
du cœur d’une fibre optique avec un déca-lage de 0,6 µm ± 0,3 µm par rapport à la cote visée ont ainsi été réalisées à l’IMFC
Les technologies LIGA constituent une autre catégorie importante de technologies
d’usi-nage de volume (figure 1b) Dans ce cas, le
masque permet d’insoler une couche
épais-se de polymère en profondeur, de façon à obtenir des flancs verticaux après dévelop-pement du polymère Il en résulte une struc-ture polymère qui a la forme du masque
“extrudée” en profondeur, et dont l’épais-seur peut atteindre 1 mm dans le cas du
pro-Les technologies
de base de
microfabrication
Les technologies modernes de
microfabri-cation sont essentiellement basées sur la
photolithographie Grâce à un masque, la
photolithographie permet de définir par
projection des formes géométriques
planes avec une précision de l’ordre du
micromètre Ces formes sont ensuite
utili-sées comme base pour réaliser des
formes tridimensionnelles par enlèvement
ou par apport de matière La précision de
la structure tridimensionnelle obtenue
dépend du procédé d’usinage utilisé On
parle de micro-usinage de volume pour la
fabrication de structures dont l’épaisseur
est de plusieurs centaines de microns à un
millimètre, et de micro-usinage de surface
pour des structures dont l’épaisseur est de
l’ordre de 10 à 20 µm au plus
Technologies et applications des microsystèmes optiques
Figure 1 Les technologies de micro-usinage de volume.
L es technologies de microfabrication héritées de la
microélectro-nique offrent un large panorama de possibilités pour la réalisation
des microsystèmes comportant des fonctions optiques Ces
technolo-gies ont d’abord été développées pour le domaine des MEMS (micro
electro mechanical systems), puis des fonctions optiques ont été
ajoutées (il s’agit alors de MOEMS pour micro electro mechanical
systems), et diverses applications ont été démontrées Des
investisse-ments importants ont été récemment réalisés dans ce domaine, en
particulier pour des applications aux communications par fibres
optiques Cependant, ces microsystèmes peuvent trouver des
débou-chés dans tous les domaines, en particulier dans celui des capteurs.
a) Attaque chimique anisotrope b) Procédé LIGA
Trang 2est donc assez réduite Cette instabilité est supprimée dans le cas des actionneurs électrostatiques à peignes interdigités
(figure 3b) Dans ce dernier cas, on peut
obtenir des déplacements continus de l’ordre de la dizaine de microns avec des tensions de commande de quelques dizaines de volts Dans la catégorie des actionneurs électrostatiques, il faut
égale-ment citer l’actionneur SDA (scratch drive
actuator) qui a beaucoup été utilisé pour
des microsystèmes optiques, et dont le
principe est schématisé sur la figure 3c Cet
actionneur comporte une mince feuille rec-tangulaire de polysilicium (épaisseur
1 µm), comportant un rebord d’environ 1
µm également La feuille est plaquée sur le substrat par une action électrostatique, ce qui provoque un glissement latéral du
rebord Quand la tension est supprimée, la feuille remonte verticalement, mais sa forme l’empêche de revenir en arrière : à chaque cycle, la feuille avance donc de quelques centaines de nanomètres, et peut ainsi parcourir des distances de plusieurs millimètres sur le substrat en entraînant des objets divers
Les actionneurs thermiques de type
bimorphe (figure 3d) sont constitués d’une
couche métallique déposée au-dessus d’une poutre fine, et dans laquelle circule
un courant qui permet d’élever la tempéra-ture de la poutre La dilatation différentielle des couches du bilame produit un mouve-ment de flexion hors-plan qui peut atteindre plusieurs dizaines de microns Ce principe permet également de produire des déplacements dans le plan : dans ce
2
cédé LIGA-X (utilisant des rayons X pour
l’insolation) Il est ensuite possible de
rem-plir de métal les cavités obtenues par un
procédé de croissance électrolytique On
obtient donc une pièce métallique qui est le
“négatif” de la structure polymère Cette
technologie a été utilisée pour réaliser
divers supports pour la micro-optique, des
connecteurs, ainsi que des actionneurs
Micro-usinage de surface
Le micro-usinage de surface consiste à
réaliser des dépôts de couches sur le
sub-strat, puis des attaques sélectives
permet-tant de dissoudre localement certaines
couches Des couches minces peuvent être
désolidarisées du substrat en dissolvant
sélectivement leur support : il s’agit de la
technique dite “de la couche sacrifiée” La
figure 2 présente un exemple de procédé
d’usinage de surface permettant de
réali-ser des plaques mobiles fixées au substrat
par des charnières Ces plaques peuvent
être relevées verticalement Elles ont été
utilisées comme des miroirs
perpendicu-laires au substrat afin de définir des
micro-bancs optiques complets
Microactionneurs
Les microactionneurs sont utilisés pour
déplacer finement des composants optiques
(miroirs, fibres, lentilles) afin de réaliser des
fonctions optiques sophistiquées de manière
intégrée On peut, par exemple, déplacer
finement des miroirs de cavités Fabry-Pérot,
balayer un faisceau laser, tourner un réseau
de diffraction, etc Du fait de leur grande
faci-lité de réalisation, les principaux types de
microactionneurs réalisés grâce aux
techno-logies MEMS sont :
- les actionneurs électrostatiques ;
- les actionneurs thermiques bimorphes
Divers schémas d’actionneurs sont
présen-tés en figure 3 Les actionneurs
électro-statiques à plaques parallèles (figure 3a)
permettent d’ajuster la position de la
plaque mobile sur une distance égale à un
tiers de l’espacement initial entre les
plaques : si on tente d’augmenter le
dépla-cement au-delà de cette valeur, la plaque
mobile va se coller brutalement sur la
contre-électrode La zone de contrôle
stable de la position de la plaque mobile
Figure 2 Exemple de procédé d’usinage de surface : technique de couche sacrifiée.
Dépôt de la structure
2 e couche sacrifiée
Lithographie et dépôt de l’agrafe
Dissolution des couches sacrifiées
Figure 3 Exemples de microactionneurs électrostatiques ou thermiques.
Dossier MEMS
Trang 3Dossier MEMS/MOEMS
cas, l’actionneur est constitué d’une couche
métallique structurée en deux branches de
sections différentes (figure 3e) Le courant
traversant l’actionneur produit un
échauffe-ment plus important de la branche de
faible section, dont la résistance est plus
élevée : l’ensemble se courbe donc vers la
branche “froide”, c’est-à-dire vers celle de
grande section
Microsystèmes
optiques
Les technologies précédentes ont été
appliquées pour réaliser des systèmes
nécessitant le déplacement de composants
optiques :
• Des micromiroirs balayables
angulaire-ment ont ainsi été réalisés Le plus connu
est la matrice de micromiroirs de Texas
Instrument, dont le principe est schématisé
sur la figure 4a Ces matrices contiennent
plus d’un million de miroirs de 16 µm de
cơté, supportés par deux charnières de 5 x
1 µm et d’épaisseur 60 nm Les miroirs sont
réalisés par micro-usinage de surface
au-dessus de leur circuit CMOS d’adressage
Ils sont en aluminium et la couche sacrifiée
est constituée de résine photosensible Une
tension de 12 Volts permet de les faire
bas-culer de ± 10° entre deux états stables Ils
sont utilisés comme matrice d’affichage
dans des projecteurs vidéo Du fait de la
faible inertie du système mécanique, le basculement est effectué en seulement
15 µs Par ailleurs, plus de 200 milliards de basculements peuvent êtres réalisés avant d’observer les premiers signes de fatigue
du miroir D’autre part, des matrices de micromiroirs de diamètre 2 mm pour la commutation optique ont récemment été démontrées en 2000 par Lucent Technology Ces matrices sont fabriquées
au moyen d’une filière technologique stan-dard (MUMPS) d’usinage de surface de polysilicium, sur couche sacrifiée en verre
Contrairement aux précédents, ces miroirs sont conçus pour un déplacement
angulai-re continu de manièangulai-re à pouvoir “viser”
l’entrée d’une fibre optique Dans un autre genre, la société américaine Microvision développe des systèmes de vision minia-tures et portables, permettant d’afficher des images directement sur la rétine d’un spectateur Il s’agit d’un microsystème optique placé sur une branche de lunette
du spectateur, et comportant un micromi-roir qui balaye le faisceau issu d’une LED modulée L’image est ainsi formée sur la rétine de la même manière que sur un écran cathodique
• Les filtres Fabry-Pérot accordables
(figu-re 4b) nécessitent également un
micromou-vement mécanique parfaitement compa-tible avec les technologies des MEMS La société américaine Coretek a ainsi déve-loppé un filtre constitué d’une membrane multicouche de haute réflectivité,
suspen-due par quatre poutres fines très près d’un substrat également réfléchissant L’espa-cement entre les miroirs peut être modifié par une commande électrostatique, ce qui
a permis de réaliser un filtre de bande pas-sante 0,27 nm, accordable sur 70 nm (finesse 260) au moyen d’une tension de commande de 13 Volts La commutation de
la résonance du filtre peut se faire jusqu’à
200 kHz De tels filtres ont également été intégrés sur des photodiodes, ce qui per-met de transformer ces dernières en des spectromètres ultraminiatures
• Divers commutateurs entre guides ou fibres optiques ont également été réalisés par déplacement latéral d’un guide d’en-trée permettant de coupler la lumière vers l’un ou l’autre des deux guides de sortie La
figure 4c montre l’utilisation d’actionneurs
thermiques bimorphes pour déplacer des fibres optiques dans le plan du substrat et réaliser ainsi un coupleur 1 x 2
• Les technologies d’optique adaptative peuvent certainement bénéficier des tech-nologies MEMS dans la mesure ó ces der-nières permettent de réaliser de nombreux systèmes optiques en même temps Il devient ainsi éventuellement possible de réaliser des miroirs adaptatifs à relative-ment bas cỏt pour des applications qui ne seront plus réservées à l’astronomie La
figure 4d montre le principe de miroirs
adaptatifs à commande électrostatique, réalisés par des technologies d’usinage de surface standard (procédé MUMPS) à trois couches de polysilicium La déformation atteint 0,9 µm à 60 Volts, et le miroir peut répondre à 60 kHz
• Le contrơle de fréquence de lasers nécessite souvent des miroirs mobiles qui sont aisément réalisables en microtechno-logie Il a ainsi été possible de réaliser des micromiroirs intégrés permettant d’accor-der la longueur d’onde d’émission de diodes laser sur des dizaines de nano-mètres
• Un des apports les plus importants des microtechnologies pour les systèmes optiques est sans doute la possibilité de réaliser des microbancs optiques permet-tant d’aligner des composants optiques en éliminant un grand nombre de réglages complexes qui sont des sources poten-tielles d’instabilité Les techniques de pho-tolithographie permettent en effet de
réali-Figure 4 Exemples de composants microélectromécaniques.
Dossier MEMS
Figure 5 Exemples de microstructures d’alignement optique : a) Structures d’alignement fibre-guides (LMPO,
1999), b) Alignement de diode laser devant une microlentille de Fresnel (UCLA, 1995)
Trang 4ser des microstructures de positionnement
dont la précision est compatible avec la
mise en place sans réglage de systèmes
optiques complexes Diverses techniques
basées sur le procédé décrit en figure 2
permettent de réaliser (figure 5a) des
sys-tèmes précis d’alignement de composants
optiques Il est même possible d’intégrer
des microactionneurs de type SDA
(fi-gure 3) pour déplacer finement les
compo-sants optiques afin de mettre en place les
microbancs Quand la précision de
fabrica-tion n’est pas suffisante (cas du couplage
laser-fibre par exemple), on peut
égale-ment penser à intégrer un microactionneur
qui permettra de faire les derniers
ajuste-ments nécessaires à l’alignement parfait du
système
Perspectives
Les microsystèmes optiques réalisés grâce
aux technologies de fabrication dérivées
de la microélectronique ont d’ores et déjà
conduit à des applications industrielles
remarquables La matrice de micromiroirs
de Texas Instrument est, par exemple, le
système contenant le plus grand nombre
d’éléments mécaniques jamais construit
par l’homme Les applications de ces
tech-nologies touchent tous les domaines de
l’optique et, grâce à la fabrication de
masse, devraient permettre une
dissémina-tion sans précédent de systèmes optiques
sophistiqués (interféromètres, optique
cohérente, etc.) dans les années à venir
Les concepteurs de systèmes optiques
doi-vent être conscients de l’existence de ces
nouvelles technologies pour pouvoir en
tirer le meilleur parti
Michel de Labachelerie
Laboratoire de physique et métrologie des oscillateurs
32, avenue de l’Observatoire
25044 Besançon Cedex, France E-mail : labachel@lpmo.edu
Dossier MEMS/MOEMS
L’émergence des microsystèmes optiques dans les réseaux de télécommunication
L e concept de microsystème ou MEMS (micro electro mechanical
systems), né dans les années 1980, est basé sur la cohabitation de
struc-tures, à fonctions mécaniques et électriques de très faibles dimensions sur une même puce Ces réalisations d’une très grande variété sont rendues possibles grâce à l’utilisation des techniques classiques
de la microélectronique, telles que la photolithographie, les techniques
de dépơt, de gravure, de report, d’interconnexion et d’assemblage Ces techniques permettent l’émergence de nombreux produits dans des domaines d’application de plus en plus vastes Les microcapteurs, première application des MEMS, envahirent par exemple rapidement les secteurs de l’automobile, permettant ainsi l’introduction des airbags grâce aux accéléromètres micro-usinés, ou du biomédical avec des microcapteurs à usage unique pour la mesure de la pression artérielle De nouveaux produits sont aujourd’hui en développement
et verront bientơt le jour industriellement, tels que des micropompes pour l’injection de médicaments, des commutateurs RF pour les télécommunications mobiles et bien d’autres encore Outre les MOEMS, micro-opto-electro-mechanical systems, composants de type MEMS ayant des propriétés optiques (par exemple : guides d’ondes, phasars, switches…), le domaine des télécommunications optiques, actuellement en pleine expansion, sera lui aussi très demandeur de MEMS et en particulier de MEMS optiques
ou microsystèmes optiques, composants électromécaniques apportant des fonctions optiques Ces derniers apparaissent en effet comme étant les seuls à pouvoir assurer toute une série de fonctions, indis-pensables aux réseaux optiques DWDM (dense wavelength division
multiplexing), commutation, atténuation, insertion/extraction de
canaux et connexion, en traitant directement le signal lumineux Cette approche est aujourd’hui une alternative à de nombreuses et cỏteuses transitions optoélectroniques et électro-optiques, qui sont
une limite en débit de transmission.
Différents types de microsystèmes optiques pour réseaux DWDM sont ainsi en cours de développement ou d’industrialisation Différentes technologies de fabrication sont utilisées parmi lesquelles le micro-usinage de surface sur SOI (silicon on insulator) épaissi semble apporter les meilleures performances pour les matrices de commuta-tions optiques Les avantages relatifs des composants utilisant des sub-strats SOI seront présentés au travers des dispositifs décrits.
Dossier MEMS
Trang 5Ainsi, le réseau “tout optique”, concept d’utilisation rationnelle et économique des énormes potentialités de la transmission de données par fibre optique, ne peut se développer sans l’émergence de compo-sants optiques actionnables électrique-ment : les MEMS optiques
Principe des MEMS optiques
Une des constitutions classiques de MEMS optique utilise des micromiroirs mobiles,
commandés par des actionneurs
électro-statiques, thermiques, mécaniques ou induc-tifs L’application d’un stimulus, tel qu’une
différence de potentiel ou de température,
a pour effet de modifier la géométrie de la structure, et donc l’orientation de la surface réfléchissante d’un miroir On peut ainsi effectuer des redirections de faisceaux optiques, issus par exemple de fibres optiques
Principales techniques
de fabrication des MEMS
optiques
La plupart des MEMS optiques sont
réali-sés par usinage dit “de surface”, un
pro-cédé ó des épaisseurs de silicium poly-cristallin et des couches sacrificielles, pouvant être gravées sélectivement, sont alternées sur un substrat semi-conducteur
Appliquées à des couches minces, des étapes de lithographie et de gravure per-mettent notamment de fabriquer les miroirs pouvant basculer perpendiculairement au substrat Cette approche a été histori-quement la première, car proche des tech-niques déjà utilisées dans l’industrie microélectronique En revanche, la faible épaisseur de ces couches déposées et le difficile contrơle de ses contraintes internes ont poussé au développement d’alterna-tives technologiques
Plus récemment, le micro-usinage de
sur-face sur SOI (silicon on insulator) épais a été
utilisé et apporte les performances indis-pensables à ces applications Un tel sub-strat comporte structurellement une couche de silicium monocristallin, reposant sur une couche d’oxyde Cette dernière peut jouer le rơle de couche sacrificielle permettant alors de libérer mécanique-ment les structures réalisées dans la couche supérieure de silicium monocristal-lin qui peut être épaissie à souhait par épi-taxie Mais le principal avantage de cette technique de micro-usinage réside dans la nature même de cette couche monocristal-line qui, du fait de l’absence de contraintes internes, assure l’épaisseur, la rigidité, la planéité et le comportement mécanique
Les microsystèmes
optiques :
présentation
et enjeux
Figure 1 : Exemples de microsystèmes
pour différentes applications Source : TRONIC’S Microsystems.
Enjeux des microsystèmes
optiques pour
la commutation
Les perspectives des MEMS pour réseaux
de télécommunications optiques sont
impressionnantes tant par la variété des
fonctions possibles que par les quantités ou
le montant des enjeux économiques Les
débouchés commerciaux les plus
impor-tants se situent actuellement dans la
com-mutation optique pour la reconfiguration et
la sécurisation des réseaux Mais d’autres
produits comme les atténuateurs variables
(VOA : variable optical attenuator), ou les
multiplexeurs d’insertion et d’extraction
optiques (OADM : optical add-dropp
multi-plexing) sont également en cours de
déve-loppement
Les commutateurs optiques utilisant les
technologies MEMS sont destinés à
rem-placer les commutateurs électroniques de
grande puissance qui orientent et
multi-plexent les signaux dans les systèmes de
communication par fibres optiques Les
délais associés à la conversion entre
optique et électronique, principale cause
de ralentissement des transmissions, sont
ainsi éliminés : c’est le tout optique.
Pour satisfaire la demande croissante de
forts débits, du fait notamment du
dévelop-pement du trafic de données et d’Internet,
les fournisseurs d’accès cherchent à
utili-ser de manière optimale les réseaux
exis-tants, en utilisant des réseaux
reconfigu-rables Des matrices de commutation
optique permettront d’activer autant de
fibres préinstallées, sur une liaison donnée,
que le réseau en demandera
Dossier MEMS
A
A
B
B
C
C
D
D
Figure 2 : Principe d’une matrice d’interconnexion 2D.
Gap
GND
L
v
q
Figure 3 : Coupe d’un miroir pivotant (jaune) à bras
de torsion et à force électrostatique (électrode rouge).
L = 0,1 à 1 mm ; θ = 1 à plusieurs degrés ; v = quelques dizaines de volts ; gap = de quelques micromètres à plusieurs centaines de micromètres ; épaisseur du miroir = quelques micromètres.
SOI wafer - Etching o f superficial Si a nd SiO2 la yers
Epitaxy - Impla nt - Pa ssiv atio n - Meta llisa tio n
Etching o f the microstructures
Figure 4 : Principe du micro-usinage de surface, ici sur substrat SOI Source : TRONIC’S Microsystems.
Substrat SOI – Gravure des couches superfiicielles de silicium et d’oxyd
Epitaxie – Implantation – Passivation – Métallisation
Gravure des microstructures
Trang 6désolidariser une partie de la structure du substrat pour la rendre mobile L’appli-cation d’un potentiel sur les peignes inter-digités permet d’obtenir un déplacement linéaire horizontal du miroir, de plusieurs dizaines de micromètres, au niveau de la sortie lumineuse d’une fibre optique et d’engendrer ainsi deux états, passant ou réfléchissant L’état réfléchissant corres-pond à une position du miroir, dans le fais-ceau optique, à 45° de l’axe de la fibre, telle que ce dernier dévie le faisceau lumineux dans une fibre optique positionnée per-pendiculairement
Ce type de microsystème possède de faibles pertes d’insertion pour un commuta-teur unitaire, un temps de commutation court
ainsi qu’une faible diaphotie (cross-talk).
En revanche, l’obtention de matrices de commutation avec un grand nombre d’en-trées-sorties requiert la mise en cascade
de plusieurs commutateurs unitaires Dans
ce cas, les performances, comme les pertes d’insertion se détériorent quand le nombre d’entrées-sorties augmente
Les commutateurs optiques
analogiques 3D
La deuxième grande famille de commuta-teurs optiques, qui émerge actuellement pour les matrices de grande complexité, uti-lise le fonctionnement de miroirs à un ou deux axes de rotation ; on parle alors de MEMS 3D Lors de l’application d’un poten-tiel, la surface réfléchissante peut tourner d’un certain angle, variable en fonction de la commande ou fixe sur des butées, et déflé-chir un faisceau collimaté, issu d’une fibre optique vers une autre fibre optique, “à
accès aléatoire” La figure 7 montre une
structure de base de micromiroir électrosta-tique, développée par le LAAS du CNRS
Après adaptation de ce principe et du
requis pour des pièces mobiles telles que
des micromiroirs
Les deux exemples de commutateurs
optiques qui suivent utilisent des substrats
de SOI épais : l’un pour sa capacité à
réali-ser une structure mécaniquement mobile
de plus de 62,5 µm d’épaisseur (rayon
d’une fibre optique), l’autre pour assurer
robustesse et planéité à un miroir de
grande taille
Les divers commutateurs à base
de MEMS optiques
En effectuant une analogie électrique, les
commutateurs optiques caractérisent tout
microsystème jouant le rôle d’un
interrup-teur Ces structures peuvent être bistables
(MEMS 2D) entre deux positions ou
analo-giques et asservis (MEMS 3D) pour un
accès multipositions aléatoire en trois
dimensions
Les commutateurs optiques
bistables
Le plus connu des commutateurs bistables
a été développé par l’IMT de Neuchâtel en
Suisse et est aujourd’hui commercialisé par
la société Sercalo basée au Liechtenstein Il
est basé sur le mouvement d’un miroir,
gravé dans l’épaisseur d’une couche de
silicium, sous l’effet d’un actionneur intégré
sur la même puce
La structure mécanique, miroir vertical
linéaire, et le dispositif d’actionnement
électrostatique à base de peignes
inter-digités à variation de surface sont obtenus
par gravure profonde et verticale de la
couche superficielle de silicium Cette
gra-vure est arrêtée sur l’oxyde de silicium
présent dans les structures SOI ; enfin, une
gravure sélective de cet oxyde permet de
design et utilisation de sa technologie géné-rique de micro-usinage de surface de SOI épitaxié, TRONIC’S Microsystems travaille aujourd’hui sur la fabrication de matrices de miroirs 3D de haute performance
Le dispositif présenté est constitué d’un miroir suspendu, actionné par deux élec-trodes inclinées situées en dessous Il permet d’obtenir des angles de balayage de quasi-ment 90° degrés à la fréquence de réso-nance mécanique de la structure Les déve-loppements actuels visent à asservir la posi-tion du miroir, afin de permettre un pointage
et une redirection optimale d’un faisceau optique
Enfin, en associant plusieurs de ces struc-tures, il est possible d’obtenir des matrices
de micromiroirs Ces dernières, appelées matrices d’interconnexion optique (OXC
en anglais), ou brasseur optique, suivant les cas, permettent d’orienter les N faisceaux d’entrée vers N sorties
Différentes architectures ont été proposées pour que chaque faisceau d’entrée puisse être orienté vers chaque sortie en fonction
de la commande appliquée Un prototype
de 256 x 256 entrées-sorties a par exemple été développé par Lucent Technologies
Les premières approches matricielles ont présenté des problèmes de pertes d’inser-tion dans les fibres optiques Les faibles performances étaient principalement liées
Figure 6 : Structure du switch optique Sercalo.
Figure 5 : Principe d’un commutateur optique 2D.
Dossier MEMS
Figure 7 : Commutateur optique volumique 3D
1 mm
Figure 8 : Principe d’une matrice de micro-miroirs.
Trang 7au difficile asservissement de la position du
faisceau optique mais également à la faible
qualité optique des micromiroirs en
sili-cium polycristallin En effet, ces derniers se
déforment sous l’effet des contraintes ; les
inhomogénéités des faisceaux réfléchis se
traduisent par des pertes de recouplage
dans la fibre optique Ces difficultés ont mis
en avant les avantages technologiques des
structures réalisées en SOI épais Cette
technique est la seule à permettre
aujour-d’hui la réalisation de miroirs de grande
taille, épais, exempts de toute contrainte,
d’une grande planéité avec une couche
réfléchissante En outre, les charnières en
silicium monocristallin présentent de très
bonnes performances mécaniques, et de
baisser les tensions de commande,
assu-rant une tenue en vieillissement
exception-nelle
Perspectives
L’approche DWDM a démultiplié le
nombre de canaux pouvant être
transpor-tés par une fibre, constituant ainsi de
véri-tables autoroutes
L’utilisation optimum de ces autoroutes
nécessite des échangeurs pour permettre
d’extraire des canaux ou d’en insérer de
nouveaux, sans perturber le flot du trafic
Ici encore, l’utilisation de micromiroirs,
actionnables électriquement, à base de
MEMS permet d’envisager des dispositifs d’insertion/extraction de canaux, de type OADM
Enfin, les signaux sont régulièrement amplifiés au cours de leur transmission ou détectés en fin de ligne Dans les deux cas,
la puissance des canaux doit être adaptée
à la réponse des amplificateurs ou des détecteurs Des composants à base de MEMS permettent d’assurer une fonction d’absorbeur optique variable (ou VOA en anglais)
L’introduction des MEMS optiques dans le réseau DWDM de communication à hauts débits n’en est qu’à ses débuts Les prévi-sions vertigineuses mobilisent aujourd’hui nombre de laboratoires et de sociétés, grands groupes et jeunes pousses, de par
le monde
Stéphane Renard
TRONIC’S Microsystems, info@tronics-mst.com,
15, rue des Martyrs, F-38000 Grenoble
Bruno Estibals
Laboratoire d’analyses et d’architecture des systèmes,
7, avenue du Col Roche, F-31077 Toulouse
Dossier MEMS
Figure 10 : Principe d’un OADM.
DWDM : Dense Wavelength Division Multiplexing
Multiplexage dense en longueur d’onde : système de transmission
optique “haut débit” dans lequel de nombreux canaux sont
trans-mis à l’intérieur d’une même fibre optique sur des porteuses
lumineuses de différentes longueurs d’onde
Les meilleurs équipements DWDM qui apparaissent sur le marché
permettent de transmettre sur une seule fibre optique plusieurs
dizaines de canaux modulés à 10 GHz espacés de 50 GHz
MEMS : Micro-Electro-Mechanical Systems
Systèmes micro-electro-mécaniques : microdispositifs, réalisés à
l’aide des microtechnologies, comportant des pièces
microméca-niques, à commande ou détection électrique (par exemple :
capteur de pression, accéléromètre, micromiroirs pivotants…)
MOEMS : Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems
Micro-dispositifs de type MEMS dont les matériaux ont des
pro-priétés optiques telles que l’émission, la transmission ou la
récep-tion de lumière
MEMS optiques
Dispositifs micromécaniques classiques utilisés pour agir sur un faisceau optique par réflexion, occultation ou absorption
VOA : Variable Optical Attenuator
Dispositif ayant comme fonction d’absorber une partie de la puis-sance lumineuse d’un faisceau Ce composant peut être constitué d’un MEMS avec une atténuation variable en fonction d’une com-mande électrique
OADM : Optical Add-Drop Multiplexer
Multiplexeur d’insertion / extraction optique : composant permet-tant d’insérer, ou d’extraire, une porteuse lumineuse dans une fibre optique, sans perturber le flot des autres canaux qui y sont transmis
Certains OADM sont purement passifs, adaptés à des longueurs d’onde fixes D’autres, en cours de développement, permettent de choisir les porteuses à insérer ou à extraire à l’aide d’une com-mande électrique
Lexique
Figure 9 : Principe du DWDM.
Source : Bell Laboratories
Trang 8Les MEMS : une technologie prometteuse
pour les télécommunications optiques
Les
télécommunica-tions à fibres
optiques :
un environnement
florissant
L’année 2000 aura été une année décisive
dans la structuration du marché des
télé-communications à fibres optiques… et le
moment ó les acteurs du domaine auront
réalisé l’importance des technologies
MEMS pour les futurs réseaux tout optique.
En 2000, des industriels du domaine des
télécommunications optiques ont acquis un
portefeuille complet de technologies, pour
la plupart à des prix fantastiques ! Ainsi,
plus de 100 milliards de dollars ont été
échangés au cours d’achats d’entreprises
depuis deux ans, surtout de la part
d’entre-prises américaines Un des points les plus
intéressants de cette vague d’achats est
l’acquisition de centres de recherches
publiques par des groupes privés (par
exemple le CSELT en Italie, qui a été
ache-té par Agilent Technologies, ou encore
l’ac-tivité R&D en optique intégrée de France
Telecom qui a été acquise par HighWave
Optical Technologies) Dans un avenir proche, il est probable que ne survivront plus que quelques grandes entreprises qui domineront le marché (telles que JDS Uniphase, Corning, Alcatel, Lucent,
Nortel…) Comme leurs homologues amé-ricaines, les entreprises européennes sont elles aussi dans une phase d’acquisition d’autres entreprises (c’est le cas d’Alcatel Optronics, d’HighWave Optical Techno-logies ou de Kymata) Ces acquisitions ont contribué à former une chaỵne industrielle
comme on peut le constater dans la
figu-re 1.
Aujourd’hui, de nouveaux acteurs intègrent cette chaỵne industrielle Ce sont des systè-miers tels qu’Ilotron au Royaume-Uni (l’ob-jectif d’Ilotron est le développement de routeurs optiques basés sur des MEMS, les micromiroirs étant achetés à des entre-prises fabriquant de MEMS tels que Optical Micro-Machines – OMM – aux États-Unis) Les entreprises comme Ilotron sous-traitent la fabrication des composants
et ne gardent que les aspects assemblage
et test en interne Ce positionnement straté-gique offre ainsi une plus haute valeur ajou-tée sur les produits finaux que ne le ferait la production simple des composants eux-mêmes
M algré la baisse des valeurs télécom sur les différents marchés
financiers, le marché des télécommunications à fibres optiques
conti-nue son évolution Depuis deux ans, environ 110 milliards de dollars
ont été échangés dans l’acquisition d’entreprises et de nouvelles
tech-nologies par des grands groupes tels que Corning, JDS Uniphase,
Nortel… Aujourd’hui, le nombre de fusions et d’acquisitions a diminué
mais celles-ci sont devenues plus spécifiques Les technologies MEMS,
par exemple, restent très convoitées De plus, dans ce domaine, des
sociétés de capital-risque continuent leurs efforts d’investissements
(en Europe, celles-ci ont investi 400 millions de dollars dans douze
entreprises de ce secteur) Cet article souligne les évolutions
écono-miques les plus récentes de ce marché toujours en croissance, et
montre les rơles clés que joueront les MEMS dans un avenir proche.
Dossier MEMS
Figure 1 : Chaỵne industrielle du secteur des télécommunications optiques.
UTILISATEURS
FOURNISSEURS
DE SERVICES SYSTÈMIERS
FABRICANTS
DE SOUS - SYSTÈMES FABRICANTS DE COMPOSANTS
Sercalo, Cronos (maintenant JDS), Tronic’s Microsystems, TMP (maintenant Kymata), OMM, Kloe (maintenant StockerYale), Gefran Silicon Microsystems (maintenant Agilent)…
Xros, Corvis, Cisco, Ciena, ADVA, Algety (maintenant Corvis), Ilotron…
JDS Uniphase, Corning, ADC Telecom, SDL, Bookhma, Kymata, Etek, HighWave Optical Technologies, Teem Photonics…
Equipement de fabrication : Balzers…
CAO: Memscap… Equipement de test : GN Nettest…
R&D: Leti, Delft… Matériaux: BCO, Corning…
Equipement d’assemblage : Opµs…
Trang 9Une des conséquences de cette révolution optique est le remplacement progressif par des composants optiques des fonctions réalisées avec des composants électro-niques (l’électronique étant limitée à un débit d’information de 1 Tbits/s) Comme l’objectif est d’avoir des systèmes tout optique de routage, la fonction routage pourrait être accomplie en utilisant des composants MEMS (tels que des micromi-roirs), qui est la seule technologie pour la réalisation de matrice de routage de
gran-de taille De plus, comme la gran-demangran-de n’est pas uniforme dans le réseau, il y a aussi un besoin croissant de reconfiguration de cer-taines parties du réseau (pour la création
de régions de plus haute capacité par exemple) Les MEMS sont des composants appropriés pour la reconfiguration : WDM add/drop, commutateurs optiques ou matrices de commutation optiques La technologie MEMS est idéale pour des
matrices tout optique (cross connects ou
OXCs) qui pourraient reconfigurer le réseau sur une échelle de temps réduite en réponse au trafic
Ce qu’il faut remarquer, c’est que les tech-nologies “conventionnelles” (telles que la thermo-optique) seront toujours utilisées pour les commutateurs 1 x 2 à 1 x N (qui représenteront le plus grand volume de marché) Néanmoins, les MEMS (MEMS 2D
pour les tailles de matrices jusqu’à
256 x 256 et MEMS 3D pour les matrices
de commutation de taille supérieure à
1 000 x 1 000) permettront la réalisation des matrices de commutation de grande taille (ce qui représentera, à terme, le mar-ché le plus important en dollars) Cependant, de nouvelles technologies arri-vent et pourraient être en concurrence avec les micromiroirs : l’holographie, les cristaux liquides, le jet d’encre, la thermo-optique…
Aujourd’hui, des composants MEMS sont disponibles sur le marché en Europe Des entreprises telles que Sercalo Micro-technology, Kymata Netherlands BV, Colybris SA, Tronic’s Microsystems, PHS MEMS, MEMSCAP… proposent des MEMS optiques Le composant actif le plus fré-quemment commercialisé ou développé est le commutateur optique (qui est l’élé-ment de base pour des systèmes plus complexes) La commutation est une fonc-tion cruciale pour les télécommunicafonc-tions à fibres optiques et pour la réalisation de
cross connects optiques (OXCs) Selon le
cabinet de conseil Yole Développement, la vente totale pour des matrices de commu-tation optiques (à partir des commutateurs
de taille 1 x 2 jusqu’aux OXCs de taille
4 000 x 4 000) pourrait atteindre 1,5 mil-liard de dollars en 2005 uniquement pour
Le lancement de
nouvelles start-ups
Au premier semestre 2000, les sociétés de
capital-risque ont investi 7,3 milliards de
dollars dans le domaine des
télécommuni-cations et le marché des télécom fibres
optiques ne cesse de stimuler la création
de nouvelles start-ups Sept start-ups ont
été lancées dans les trois derniers mois de
2000 : Starlink AG (D) et Cube Optics AG
(D) de l’IMM, Crystal Fibre A/S (DK) et
Cisilias A/S (DK) du centre de recherche
danois COM, Photline (F), Lumentis AB
(SW) et Polatis (GB) Il existe également de
nombreuses autres start-ups qui sont dans
une phase de lancement Il est surprenant
de voir que des technologies, qui servaient
de démonstrateurs dans les laboratoires il y
a quelques années, sont aujourd’hui si
rapi-dement promues
Les télécoms fibres optiques :
une opportunité
pour les MEMS
Le tableau suivant (figure 2) illustre quels
sont les composants et modules utilisés
dans les réseaux DWDM (source Cronos)
Ce tableau montre que les MEMS joueront
un rôle clé dans les points suivants des
réseaux : émetteurs, Mux/Demux,
commu-tateurs et récepteurs
• Pour les émetteurs, les Mux/Demux et les
récepteurs, la technologie des MEMS peut
être utilisée dans la réalisation de filtres et
de lasers accordables
• Pour la fonction de commutation, la
tech-nologie MEMS peut aussi être utilisée pour
les commutateurs optiques, les modules
add/drop et OADM reconfigurables
(tech-nologie micromiroirs 2D et 3D)
Aujourd’hui, il est évident que les
télécom-munications à fibres optiques représentent
la nouvelle “killer application” que
recher-chait la technologie des microsystèmes La
croissance du marché des
télécommunica-tions est fortement liée au trafic Internet
L’augmentation du trafic de l’information
Internet pousse au développement
d’équi-pements de réseaux optiques à haut débit
9
WDM Transmitters
• Source lasers
• Lithium Niobate modulators
• EML
• Tunable lasers
• Wave-lockers
• Tx/Rx modules
WDM Mux/Demux
• Thin film filters
• Fibre gratings
• Waveguides
• Diffraction gratings
• Circulators
• Interleavers
• Mux/Demux modules
• Tuneable filters
WDM Amplifiers
• Dynamic Gain Equaliser
• Isolators
• Tap couplers
• Pump lasers
• Gain equalisers
• Attenuators
• Integrated amplifiers
• SOAs
WDM Switching
• Optical switches
• Circulators
• Couplers
• Add/drop modules
• Configurable OADM
WDM Receivers
• PINs
• APD
• Tuneable filters figure 2 : Composants et modules dans les réseaux DWDM
Dossier MEMS
Trang 10sonnes “seulement” en Europe Ceci est à garder en perspective concernant les 400 millions de dollars investis dans cette
activi-té par les sociéactivi-tés de capital risque en Europe (pour douze entreprises)
Ces entreprises européennes emploient plus de 8 000 salariés, avec un taux de croissance de 60 % La valeur financière totale des ces entreprises est actuellement
de plus de 12 milliards d’euros, ce qui reste toujours très élevé malgré la dévaluation boursière de fin 2000
Article rédigé par Eric Mounier (Tél : 04 72 83 01 81)
et publié avec l’aimable
autorisation de Yole Développement
10
les composants MEMS Les composants
MEMS dépasseraient alors le marché du
milliard de dollars !
Dans le domaine des MEMS, l’Europe a une
offre technologique large et complète
(LIGA, réplication, micro-usinage…), un
environnement R&D riche et de haute
qua-lité, la présence de réseaux nationaux qui
mettent en avant les MEMS et les
technolo-gies des microsystèmes, le soutien national
de financement (le réseau de micro-
nano-technologie et Adémis en France,
VDI-VDE/IT en Allemagne…) et la volonté
d’al-ler vers les fonderies ouvertes pour les
produits dédiés (à travers le projet
Europractice) En revanche, l’Europe garde
des problèmes d’industrialisation
(pro-blèmes de cỏt, difficultés à trouver une
fonderie…), de commercialisation et de
lancement des marchés De plus, peu
d’en-treprises proposent aujourd’hui
l’encapsu-lation pour MEMS dans le domaine des
télécommunications optiques
Perspectives
Aujourd’hui, le marché des composants
fibres optiques est en très forte croissance
mondialement, ce qui peut être expliqué
par trois paramètres :
1 Le trafic dans les réseaux de
télécommu-nications est en croissance grâce à Internet
De plus en plus de gens sont connectés, le
taux d’information est en croissance et le
temps en ligne augmente aussi
2 Le marché des télécommunications n’est plus réglementé Il y a de plus en plus d’ac-teurs industriels et de fournisseurs En Europe, plusieurs dizaines de projets de fibres optiques se mettent en place actuel-lement
3 De nouvelles technologies se dévelop-pent pour le routage tout optique
Aujourd’hui, l’électronique est limitée à un débit d’information de 1 Tbit/s ; pour des débits plus hauts, la gestion du réseau devra être tout optique
Ce dernier point est essentiel et explique pourquoi de nouvelles technologies appa-raissent aujourd’hui (telles que les MEMS qui sont de bons candidats pour le routage tout optique et les réseaux reconfigu-rables) Les technologies, qui étaient des technologies de laboratoire il y a quelques années, sont subitement mises en avant et
de nombreuses start-ups se créent Par exemple, Opsitech est une nouvelles spin-off du Léti, créée en juillet 2000 par Patrick Mottier, Michel Bruel et Joël Alanis ; elle produit des composants en optique inté-grée En 2000, l’IMM a lancé deux nouvelles start-ups MEMS : Starlink AG et Cube Optics AG Cependant, cette croissance de start-ups est équilibrée par de nombreux achats par de plus grands groupes (en juillet 2000, par exemple, JDS Uniphase a acquis SDL pour 41 milliards de dollars)
Dans un avenir proche, il n’y aura proba-blement que quelques grandes entreprises qui domineront le marché (des entreprises telles que JDS Uniphase, Corning, Alcatel, Lucent, Nortel…)
Les télécommunications optiques sont la
nouvelle “killer application” des MEMS,
mais il reste le défi stratégique qui est celui
de trouver une fonderie En Europe, une offre industrielle se présente néammoins : Tronic’s Microsystems, TMP, CSEM…
Certaines entreprises sont uniquement IPR
(intellectual property rights) comme Xros
(US) ou Ilotron (GB) et ont besoin de fonde-ries
Cependant, il faut retenir le fait que, malgré
la tendance à la hausse de l’activité télé-communications à fibres optiques, cela reste un marché à moyen volume (aujour-d’hui, les volumes vont de quelques unités pour OXCs, par exemple, à quelques dizaines de milliers d’unités pour les ampli-ficateurs) qui emploie environ 5 000
per-Yole Développement, société de conseil
dans les domaines des microsystèmes
et de la microélectronique, a publié un
rapport décrivant les activités
indus-trielles et de R&D des composants
optiques pour les télécommunications
Ce rapport décrit quelles sont les
tech-nologies actuellement utilisées, quelles
sont les technologies en
développe-ment, les derniers rachats de sociétés, la
position européenne par rapport aux
USA et au Japon… Le rapport inclut
éga-lement 107 profils d’acteurs du domaine
(stratégie, capacité de production,
don-nées financières…) Pour plus
d’informa-tion, contactez : fabopto@yole.fr
Dossier MEMS