Les commutateurs mécano-optiques utilisent des miroirs, des lentilles, des prismes, des réseaux de diffraction, ou même des guides ou des fibres qui se déplacent. Ces composants permettent de défléchir les faisceaux lumineux typiquement dans l’air, voir Figure 2.7. Les actionneurs utilisés pour déplacer ces éléments sont assez divers, les plus importants du point de vue micro-usinage seront présentés et étudiés dans le chapitre 4.
miroir prisme réseau de diffraction télescope de Kepler télescope de Galilée
Figure 2.7. Eléments déflecteurs de signaux lumineux dans l’air [GLO 97].
Les commutateurs mécano-optiques sont connus pour avoir de bonnes propriétés optiques ; ils ont été fabriqués traditionnellement à base de composants optiques discrets de haute qualité. Malheureusement, leur vitesse de commutation a été très limitée étant donné, entre autres raisons, la grande taille des composants utilisés. Très récemment, les technologies de micro-usinage ont permis de réduire les dimensions des commutateurs mécano-optiques et par conséquent, la vitesse de commutation.
Les commutateurs mécano-optiques peuvent consister en fibres qui se déplacent latéralement les unes par rapport aux autres. Hogari et al. ont fabriqué sur ce principe un commutateur 2×2 avec un actionneur électrostatique [HOG 91]. Kopka et al. ont développé des commutateurs 1×2 et 2×2 utilisant des actionneurs thermiques [KOP 97] [HOF 99]. Nagaoka et al. ont conçu un commutateur 1×2 avec un actionneur magnétique [NAG 98]. Les commutateurs peuvent consister aussi en guides d’onde mobiles. Ollier et al. ont fabriqué un commutateur 1×2 contenant un guide d’onde suspendu qui se déplace latéralement par l’action d’un champ électrostatique [OLL 95]. Les commutateurs à base de fibres mobiles sont assez larges, ils sont aussi limités quant au nombre de ports. Les commutateurs à base de guides d’ondes sont plus petits mais ils restent encore limités quant au nombre de ports.
Un autre type de commutateur mécano-optique 2×2 à base de guides d’onde a été exploré par Chollet et al. [CHO 96]. Le commutateur consiste en une paire de guides d’ondes parallèles, un fixe et l’autre mobile. La séparation nominale entre les guides est suffisamment large pour minimiser le couplage. Par l’action d’un champ électrostatique, le guide suspendu est rapproché du guide fixe le long d’une période de transfert, ce qui permet l’échange des signaux entre les guides. L’avantage de ce dispositif par rapport aux commutateurs électro-optiques à base de guides d’ondes est la plus petite longueur de guide nécessaire.
Concernant les commutateurs qui utilisent des éléments déflecteurs entre les fibres, Göring et al. ont développé un commutateur optique à base de micro-prismes [GOR 00], tandis que Liu et al. ont fabriqué un autre système à base d’un réseau de diffraction [LIU 00].
Malgré la diversité des éléments disponibles pour défléchir un faisceau lumineux, les miroirs sont les plus utilisés, au moins du point de vue des microsystèmes. En fait, les miroirs sont pour l’instant, et par rapport aux autres éléments micro-déflecteurs, les composants les plus compatibles avec les technologies de micro-usinage.
Les micromiroirs peuvent être fabriqués par plusieurs technologies. La méthode la plus simple se base sur la gravure anisotrope ou isotrope de wafers 100 du silicium. Ainsi des miroirs suspendus, parallèles au plan du substrat, peuvent être usinés [PET 82]. D’autre part, la gravure anisotrope de wafers 110 de silicium peut être utilisée pour la fabrication de miroirs perpendiculaires au plan du substrat [ROS 94] [UEN 95]. Malheureusement, ces méthodes de micro-usinage ne permettent que la conception de structures assez simples. Ces techniques ne facilitent pas l’intégration d’un miroir avec un actionneur. Toshiyoshi et al. ont fabriqué des commutateurs à base de micro-usinage en volume utilisant un actionnement électrostatique [TOS 96], et un actionnement électromagnétique [TOS 99] mais les procédés de fabrication demeurent très complexes.
Des techniques de micro-usinage à haut facteur de forme d’aspect ont été utilisées pour la fabrication intégrée de miroirs verticaux et d’actionneurs électrostatiques en silicium. Juan et al. ont développé une technique de micro-usinage pour wafers de silicium appelée Deep
Etching Shallow Diffusion [JUA 98]. Cette technique a permis la fabrication monolithique
d’un miroir vertical et un actionneur électrostatique à peignes interdigités. Marxer et al. ont conçu un autre système monolithique contenant le miroir et l’actionneur, cette fois fabriqué à partir d’un wafer SOI [MAR 99]. Yasseen et al. quant à eux ont réalisé un commutateur à base d’un moteur électrostatique fabriqué par LIGA [YAS 99].
Le micro-usinage en surface à été largement utilisé pour la fabrication de commutateurs optiques à base de miroirs. Muller et al. ont fabriqué des vibromoteurs électrostatiques linéaires pour le positionnement linéaire et angulaire d’un micro-miroir [MUL 98]. Pai et al. ont conçu des vibromoteurs électro-thermiques linéaires pour déplacer des miroirs verticaux préassemblés [PAI 99]. Lin et al. ont développé un miroir relié au substrat au moyen de charnières [LIN 98]. Une matrice d’actionneurs à interactions de contact reliée au miroir, également au moyen de charnières, fait pivoter les miroirs entre une position parallèle au substrat et une autre perpendiculaire au substrat. Lee et al. ont conçu un commutateur électrostatique consistant en un miroir préassemblé en position verticale et suspendu à un cadre au moyen de poutres de torsion [LEE 99]. Dans ce cas, une électrode de masse est également préassemblée en position verticale et placée à 45° du miroir. Bishop et al. ont développé des miroirs chacun suspendu à une paire de couronnes au moyen de ressorts [AKS 00]. Cette armature permet le positionnement des miroirs avec deux degrés de liberté. Afin d’augmenter la plage dynamique, les miroirs sont soulevés à 50 µm du substrat et préassemblés automatiquement. Pour ce faire, le microsystème utilise un ensemble de poutres
qui se déforment après la gravure des couches sacrificielles, cela en raison de la contrainte mécanique résiduelle. Krishnamoorthy et al. ont fabriqué un autre commutateur avec des miroirs suspendus à un cadre au moyen de poutres de torsion. Le miroir et son cadre sont preassemblés à un certain angle du substrat pour augmenter la plage dynamique [KRI 00]. Concernant la conception de commutateurs à ports multiples, il y a deux approches différentes : l’architecture 2D (§ 3.1.1) et l’architecture 3D (§ 3.1.2). L’architecture 2D est plus appropriée pour la conception de commutateurs de 2×2 à 32×32 ports. L’architecture 3D est destinée aux grands commutateurs de 64×64 à 1024×1024, et même 4096×4096.
Sur le plan commercial, OMM est une des sociétés orientée dans la conception de commutateurs 2D. Le Tableau 2.5 montre les spécifications d’un commutateur 32×32 fabriqué en base à l’architecture 2D. Concernant l’architecture 3D, plusieurs sociétés ont déjà annoncé les premiers produits, notamment Lucent Technologies, Nortel, Calient, JDS
Uniphase et Xerox. Paramètre Valeur Nombre de ports 32 × 32 Pertes d’insertion < 6 dB Temps de commutation < 13 ms Diaphonie Intercanaux -50 dB Pertes dépendantes de la polarisation 1 dB Pertes dépendantes de la longueur d’onde 1,53µm-1,57µm ou 1,57µm -1,61µm 1 dB Pertes dépendantes de la
trajectoire non disponible
Consommation de
puissance < 0,5 W
Tableau 2.5. Spécifications techniques d’un commutateur 2D mécano-optique [OMM 02].