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