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Fabrication technologies
Materials processing
1
Qualité de fabrication • Matériau/Couche
– Absorption, indice, propriétés optiques… – Porosité, rugosité, dureté, thermique, … – Stabilité (thermique, méca, humidité…). – Affinité physico/chimique avec le substrat (adhérence,
contraintes..). – Epaisseur: précision, homogénéité (dim & n). – Rugosité de surface. – Reproductibilité.
• Guide 3D/Motifs diffractifs – Symétrie optogéométrique. – Rugosité, définition. – Valeur, distribution, profil, homogénéité d’indice. – Couplage avec la fibre optique. – Stabilité de la structure. 2
Materials and processes
3
Materials
Cristals
Glasses
Polymers
4
KTP
Phosphate de
Potassium
titanyl Doublage YAG
Semi-conductors Si, GaAs, Ge, Csi, …
Cristaux YAG Y3Al5O12
Ytterbium Aluminium Grenat Dopé Néodyme: Nd:YAG (inversion population) Laser @ 1064µm
Niobate de Lithium LiNbO3 ElectroOptic, AcoustoOptic )(EfP
Calcite CaCO3 Birefrigent
Matériau massif; croissance épitaxie. Attaque plasma ou chimique. Dopage par implantation/diffusion ionique. 5
Verres Un verre est un solide non-cristallin présentant le phénomène de transition vitreuse.
Silice
Quartz (UV)
Verres d’oxyde: Visible, proche IR (< 2µm) SiO2, GeO2, TiO2, … Indice ≥ 1.45 (sauf Verres poreux) Chalcogénures: Moyen IR (1-2µm 20µm) Se, Te, S, … Indice # 2 - 3 + Cd, Ga, As, Ge, …
(Verres métalliques?) Le verre est un solide qui présente le désordre d’un liquide.
Matériau massif; couches déposées par évaporation, CVD, Sol-Gel; oxydation thermique. Attaque type plasma, RIE, usinage ionique ou chimique (acide fluorhydrique HF).
Dopage pat implantation, diffusion ionique ou durant la CVD.
Fusion Vitrification
6
Verre massif et fibre optique
Fusion du sable à 1500°C Fibrage Préformation
7
Procédé Sol-Gel
Hydrolyse: Si-(O-CH2-CH3)4 + 4H2O Si-(OH)4 + 4(H-O-CH2-CH3)
Condensation: Si(OH)4 + Si(OH)4 (OH)3-Si-O-Si-(OH)3 + H2O
Obtention d’une solution contenant des nanoparticules.
Solution partiellement condensée.
Condensation poursuivie lors du dépôt (Spin/Dip coating) et terminée lors du recuit (100°C) par évaporation des solvants (eau, alcools).
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Polymères
Propriétés ajustables: Imperméable, poreux, résistance au feu, corrosion, anti-adhésion, … Applications variées: Emballages, isolants, conteneurs, joints, revêtement, …
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Mécanismes de polymérisation
10
Fabrication process principle
11
Lithography
12
Deposition techniques
Vapor phase deposition
Epitaxy
Coating
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Metal & glass deposition 𝑃 ∗ 𝑉 = 𝑛. 𝑁𝐴. 𝑘𝐵. 𝑇
Sputtering (Plasma ;Ion-beam ; Reactive ions; …) Electrodes
Performance Evaporation Sputerring CVD
Speed
Homogeneity
Damage
Materials
Thermal Evaporator (eBeam, …) CVD: Chemical vapor deposition Plasma ;Ion-beam ; Reactive ions; …
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Crystal deposition: epitaxy
Diamond structure (8 atoms per tile): C, Si, Ge, … Tile matching
Blend diamond : GaAs, InP, AlAs, SiGe, …
15
16
Molecular beams epitaxy (MBE) Coils heat the elements
→ sublimation, evaporation
Ultra high vacuum (10-8 Pa) → minimize impurity level
(no carrying gas)
Long mean free path atoms → non interacting beams
Low deposition rate (1µm / h)
→ epitaxial layers (monolayers)
Cryo → wafer cooling and impurity sink
Wafer temperature
→ elements reaction
Electron diffraction → layer formation monitoring
Mass spectrometer
→ composition analysis
Resin & polymer deposition: spin coating & 1 2 3 4 Arrêt Accélération Consigne Arrêt Dépôt Ejection Etalement Evaporation Stabilisation
1 2 3 4 Vitesse Arrêt Consigne Décélération Arrêt Trempage Stabilisation Dépôt Evaporation Ejection
… dip coating
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Patterning
18
UV exposure: Mask & Laser Electron beam
Ion beam, diffusion, … Interference
Mask aligner
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Laser lithography
laser YLF
module acousto-optique
ordre 0
ordre 1
miroirdichroïque
miroir
micro-trou
visible réfléchi miroir
x
y
PC
PC
webcam
PC
lentille
diaphragme
lentille
lentille
platine de micro-déplacements
Advantages over lamp:
•No mask. •Single wavelength. •High directivity (aspect ratio, depth of focus). •High resolution. •High power density. •Fast prototyping.
20
Electron beam lithography: •Special resin sensitive to e-beam irradiation •Polymer type (PMMA, ZEP…) •Electrons (20-100 keV) break the long polymer chain •Selective dissolution depending on exposure
le # 5pm @ 20kV
21
Grating exposure
… or direct beam writing 22
0.00E+00
5.00E-07
1.00E-06
1.50E-06
2.00E-06
0 20 40 60 80 100 120 140
Temps (s)
Pu
issa
nce
d
iffra
cté
e (W
)
Grating formation monitoring
Implantation/Echange/Diffusion ionique
+ Al inDiffusion
24
Etching
25
Etching (Gravure, Attaque)
26
Results & tests
27
Fabrication process (organomineral)
4
RECUIT 110°C
28
1 SYNTHESE
H
H
H
3
LITHOGRAPHIE
R
DEPOT 2
+ H2O
Fabrication results (organometallic)
29
Pigtailing & Packaging Cut, polish, ribbon Align, glue Package
30
Circuits testing
Observation du profil d’intensité en sortie.
Mesure de la puissance (pertes: couplage, propagation,
courbure). Étude de la fonction réalisée,
analyse spectrale, en polarisation … 31
Bent waveguide radiation coupling
0,00E+00
5,00E+04
1,00E+05
1,50E+05
2,00E+05
2,50E+05
1,00E-031,50E-032,00E-032,50E-033,00E-033,50E-034,00E-034,50E-035,00E-035,50E-036,00E-03
Pe
rte
s (
dB
/m)
Rayon de courbure (m)
1.31
1.55
32
Bending vs Technologies
33
Bent waveguide propagation loss
zP
zdPzPr
)(
dzzP
zdP.
zPzdP
dz )exp(0 zPzP
Pertes relatives
Pertes relatives par unité de longueur propagée
Coefficient d’atténuation
Puissance propagée
R
qdkqdkk
d
qddkdq
cladding
claddingeguided
xx
x
x
l
mod_2exp.
2²cossin
21
2
/exp2
²cos²/
Expression du coefficient d’atténuation (mode fondamental)
34
Straight & bent waveguides
P = 1,8509 x L + 1,4303
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Longueur (cm)
Pert
es (
dB
)
35
Power dividers
Y junction 1x2
Star coupler 1x16
MMI 1x32
36
WDM outputs
Guide(s) d’entrée
Coupleur
d’entrée
Réseau
déphaseur
Coupleur de
sortie
Guides de
sortie
l1
l2
l3
l4
37
MMI sensor
Measurand
38