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Dossier 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. Les 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 est 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 3 Dossier MEMS/MOEMS cas, lactionneur est constituộ dune couche mộtallique structurộe en deux branches de sections diffộrentes ( gure 3e). Le courant traversant lactionneur produit un ộchauffe- ment plus important de la branche de faible section, dont la rộsistance est plus ộlevộe : lensemble se courbe donc vers la branche froide,cest--dire vers celle de grande section. Microsystốmes optiques Les technologies prộcộdentes ont ộtộ appliquộes pour rộaliser des systốmes nộcessitant le dộplacement de composants optiques : Des micromiroirs balayables angulaire- ment ont ainsi ộtộ rộalisộs. Le plus connu est la matrice de micromiroirs de Texas Instrument, dont le principe est schộmatisộ sur la gure 4a. Ces matrices contiennent plus dun million de miroirs de 16 àm de cụtộ, supportộs par deux charniốres de 5 x 1 àm et dộpaisseur 60 nm. Les miroirs sont rộalisộs par micro-usinage de surface au- dessus de leur circuit CMOS dadressage. Ils sont en aluminium et la couche sacriộe est constituộe de rộsine photosensible. Une tension de 12 Volts permet de les faire bas- culer de 10 entre deux ộtats stables. Ils sont utilisộs comme matrice dafchage dans des projecteurs vidộo. Du fait de la faible inertie du systốme mộcanique, le basculement est effectuộ en seulement 15 às. Par ailleurs, plus de 200 milliards de basculements peuvent ờtres rộalisộs avant dobserver les premiers signes de fatigue du miroir. Dautre part, des matrices de micromiroirs de diamốtre 2 mm pour la commutation optique ont rộcemment ộtộ dộmontrộes en 2000 par Lucent Technology. Ces matrices sont fabriquộes au moyen dune liốre technologique stan- dard (MUMPS) dusinage de surface de polysilicium, sur couche sacriộe en verre. Contrairement aux prộcộdents, ces miroirs sont conỗus pour un dộplacement angulai- re continu de maniốre pouvoir viser lentrộe dune bre optique. Dans un autre genre, la sociộtộ amộricaine Microvision dộveloppe des systốmes de vision minia- tures et portables, permettant dafcher des images directement sur la rộtine dun spectateur. Il sagit dun microsystốme optique placộ sur une branche de lunette du spectateur, et comportant un micromi- roir qui balaye le faisceau issu dune LED modulộe. Limage est ainsi formộe sur la rộtine de la mờme maniốre que sur un ộcran cathodique. Les ltres Fabry-Pộrot accordables ( gu- re 4b ) nộcessitent ộgalement un micromou- vement mộcanique parfaitement compa- tible avec les technologies des MEMS. La sociộtộ amộricaine Coretek a ainsi dộve- loppộ un ltre constituộ dune membrane multicouche de haute rộectivitộ, suspen- due par quatre poutres nes trốs prốs dun substrat ộgalement rộộchissant. Lespa- cement entre les miroirs peut ờtre modiộ par une commande ộlectrostatique, ce qui a permis de rộaliser un ltre de bande pas- sante 0,27 nm, accordable sur 70 nm (nesse 260) au moyen dune tension de commande de 13 Volts. La commutation de la rộsonance du ltre peut se faire jusqu 200 kHz. De tels ltres ont ộgalement ộtộ intộgrộs sur des photodiodes, ce qui per- met de transformer ces derniốres en des spectromốtres ultraminiatures. Divers commutateurs entre guides ou bres optiques ont ộgalement ộtộ rộalisộs par dộplacement latộral dun guide den- trộe permettant de coupler la lumiốre vers lun ou lautre des deux guides de sortie. La gure 4c montre lutilisation dactionneurs thermiques bimorphes pour dộplacer des bres optiques dans le plan du substrat et rộaliser ainsi un coupleur 1 x 2. Les technologies doptique adaptative peuvent certainement bộnộcier des tech- nologies MEMS dans la mesure oự ces der- niốres permettent de rộaliser de nombreux systốmes optiques en mờme temps. Il devient ainsi ộventuellement possible de rộaliser des miroirs adaptatifs relative- ment bas coỷt pour des applications qui ne seront plus rộservộes lastronomie. La gure 4d montre le principe de miroirs adaptatifs commande ộlectrostatique, rộalisộs par des technologies dusinage de surface standard (procộdộ MUMPS) trois couches de polysilicium. La dộformation atteint 0,9 àm 60 Volts, et le miroir peut rộpondre 60 kHz. Le contrụle de frộquence de lasers nộcessite souvent des miroirs mobiles qui sont aisộment rộalisables en microtechno- logie. Il a ainsi ộtộ possible de rộaliser des micromiroirs intộgrộs permettant daccor- der la longueur donde dộmission de diodes laser sur des dizaines de nano- mốtres. Un des apports les plus importants des microtechnologies pour les systốmes optiques est sans doute la possibilitộ de rộaliser des microbancs optiques permet- tant daligner des composants optiques en ộliminant un grand nombre de rộglages complexes qui sont des sources poten- tielles dinstabilitộ. Les techniques de pho- tolithographie permettent en effet de rộali- Figure 4. Exemples de composants microộlectromộcaniques. Dossier MEMS Figure 5. Exemples de microstructures dalignement optique : a) Structures dalignement bre-guides (LMPO, 1999), b) Alignement de diode laser devant une microlentille de Fresnel (UCLA, 1995) 4 ser 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 Le 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 dépôt, 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 bientôt 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 coûteuses 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 5 Ainsi, 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 où 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 contrôle 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 rôle 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 Figure 2 : Principe d’une matrice d’interconnexion 2D. L 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 of superficial Si and SiO2 layers Epitaxy - Implant - Passivation - Meta llisa tio n Release of the microstructures Etching of 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 Libération des microstructures 6 désolidariser 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. Source : IMT Neuchâtel. Figure 5 : Principe d’un commutateur optique 2D. Source : Sercalo microtechnology. Dossier MEMS Figure 7 : Commutateur optique volumique 3D. 1 mm Figure 8 : Principe d’une matrice de micro-miroirs. Source : Lucent Technologies 7 au 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 8 Les 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 où 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 chaîne industrielle comme on peut le constater dans la figu- re 1. Aujourd’hui, de nouveaux acteurs intègrent cette chaîne 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. Malgré 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 rôles clés que joueront les MEMS dans un avenir proche. Dossier MEMS Figure 1 : Chaîne 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… Alcatel, Nortel, Agere… MCI, AOL, ATT… Equipement de fabrication : Balzers… CAO: Memscap… Equipement de test : GN Nettest… R&D: Leti, Delft… Matériaux: BCO, Corning… Equipement d’assemblage : Opµs… Une 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 demande 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 télécommunications 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 sonnes “seulement” en Europe. Ceci est à garder en perspective concernant les 400 millions de dollars investis dans cette activi- té par les sociétés 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 coût, 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 . actionnables électrique- ment : les MEMS optiques. Principe des MEMS optiques Une des constitutions classiques de MEMS optique utilise des micromiroirs. 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