Réseaux de Bragg verticaux accordables en silicium pour le développement de microsystèmes optiques appliqués

Ce mémoire porte sur la conception de réseaux de Bragg verticaux accordables en silicium pour le développement de microsystèmes optiques. Les travaux de recherche présentés ont été effectués dans le cadre de deux projets menés par le Laboratoire de Microphotonique en collaboration respectivement avec l'Office Fédérale de Métrologie (METAS) suisse et le Laboratoire d'Optique Diagnostique et d'Imagerie (LODI). L'objectif de ces collaborations est de concevoir des microsystèmes optiques appliqués, c'est-à-dire répondant à des besoins et des problématiques précises, à partir de l'expertise du Laboratoire de Microphotonique dans le domaine des réseaux de Bragg verticaux en silicium. La collaboration avec le METAS a pour objectif d'étudier le potentiel des réseaux de Bragg verticaux accordables en silicium dans le développement de microbalances de haute précision. Plus précisément, des masses situées entre 10 mg et 10 g sont ciblées. La dimension d'un tel échantillon peut facilement atteindre l'ordre du cm3 ce qui s'avère généralement problématique pour les microsystèmes. La microbalance optique proposée est basée sur une cavité Fabry-Pérot accordable. Lorsqu'une force externe est appliquée sur le dispositif, la longueur de la cavité est modifiée et il en résulte un décalage spectral au niveau de sa résonance optique. La force appliquée peut être déterminée à partir de l'amplitude du décalage spectral observé. La microbalance a été fabriquée et caractérisée avec succès. Des sensibilités expérimentales allant de 0.51 nm/mN à 67.69 nm/mN et des résolutions absolues allant de 0.15 μN à 19.61 μN sont rapportées. La résolution relative maximale du senseur est inférieure à 100 ppm. La microbalance optique présentée est basée sur un design dans le plan. Ce type de design simplifie le procédé de fabrication et facilite l'alignement optique. L'épaisseur du substrat limite cependant la taille de la zone de charge. Afin de s'affranchir de cette limitation, un système permettant de transférer dans le plan une force ou un déplacement hors-plan a été développé. Ce système de translation est basé sur un condensateur formée par deux peignes inter-digités possédant chacun un seul degré de liberté, l'un hors-plan et l'autre dans le plan. Tout déplacement vertical au niveau du premier peigne induit un déplacement horizontal proportionnel au niveau du second peigne. Comme preuve de concept, le système de translation a été implémenté dans le design d'une seconde génération de microbalances. Des dispositifs possédant une zone de charge de 1 mm2 ont été fabriqués et caractérisés avec succès. Les résultats

Abstract

s This master thesis presents the development of applied optical microsystems based on tunable vertical silicon Bragg gratings. This work was realized within the frame of two collaborations initiated by the Microphotonics Laboratory respectively with the Federal Office of Metrology (METAS) and the Laboratory of Optical Diagnosis and Imagery (LODI). The main objective of these collaborations is to use the expertise of the Microphotonics Laboratory in tunable vertical silicon Bragg gratings in order to develop optical microsystems which address specific needs and technical issues. The objective of the collaboration with the METAS is to study the potential of tunable vertical silicon Bragg gratings in the development of high precision microbalances for macro samples. More precisely, masses ranging from 10 mg to 10 g are targeted. The dimension of such samples can easily go up to a few cm3. The optical microbalance we propose is based on a tunable Fabry-Perot cavity. When an external force is applied on the device, the length of the cavity is modified which results in a spectral shift of its optical resonance. The applied force can then be determined from the amplitude of the spectral shift observed. The microbalance was successfully fabricated and characterized. Sensibilities ranging from 0.51 nm/mN to 67.69 nm/mN and absolute resolutions ranging from 0.15 μN to 19.61 μN are reported. The maximum relative resolution of the sensor is below 100 ppm. The optical microbalance we developed is based on an in-plane design. This type of design simplifies the fabrication process and eases the optical alignment. However, the thickness of the substrate limits the area of the load patch. In order to free oneself of this limitation, a vertical to horizontal motion translation system was developed. This translation system is based on a capacitor formed by two interdigitated combs exhibiting perpendicular degrees of freedom. The out-of-plane displacement of the first comb induces a proportional in-plane displacement of the second comb. As a proof of concept, the translations system is implemented in the design of a second generation of optical microbalances. Devices exhibiting a 1 mm2 load patch were successfully fabricated and characterized. The experimental results validate the working principle of the translation system. A vertical 1.7 μm motion was transferred into a 0.26 μm horizontal displacement.