WO2002048777A2 - Micro-actionneur optique, composant optique utilisant le micro-actionneur, et procede de realisation d'un micro-actionneur optique - Google Patents

Micro-actionneur optique, composant optique utilisant le micro-actionneur, et procede de realisation d'un micro-actionneur optique Download PDF

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WO2002048777A2
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cavity
micro
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Claire Divoux
Claude Chabrol
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    • G02B6/3568—Mechanical details of the actuation mechanism associated with the moving element or mounting mechanism details characterised by the actuating force
    • G02B6/357—Electrostatic force

Definitions

  • optical micro-actuator is understood to mean a member capable of modifying at least one characteristic of a light beam in response to a control signal, and which is capable of being integrated in an optical switching circuit, for example.
  • Such a micro-actuator finds applications in the manufacture of optical components such as, for example, relays, switches, attenuators, extinguishers or more complex devices such as optical switching circuits, optical cross-connects or multiplexers optics.
  • the known micro-actuators comprise a particular optical medium which it is possible to interpose in the light beam, in response to a generally electrical signal.
  • the medium interposed in the beam is capable of modifying, for example, the density of light flux, to attenuate or extinguish it, or even to modify its direction. This allows, for example, to direct the beam to an optical output channel selected from a plurality of possible output channels.
  • the medium which is interposed with the light beam can be a solid medium, a liquid medium, or a gaseous medium.
  • Documents (1) and (2) indicate systems based on techniques for ejecting fluids or techniques for producing gas bubbles.
  • Documents (3) and (8) indicate optical switches using the displacement of a liquid between two optical guides by means of a pump or a heating element.
  • liquid or gaseous medium have a high sensitivity to the environment and suffer from repeated vibrations, shocks or temperature variations.
  • the liquid medium can also have a non-negligible inertia and limit the operating frequency.
  • the object of the invention is to propose an optical micro-actuator which does not have the limitations of the devices mentioned above, or for which these limitations are less restrictive.
  • One aim is in particular to propose an optical micro-actuator having a low mechanical inertia and capable of operating at high frequency.
  • Another object is to propose such an optical actuator which comprises a minimum of movable elements and which has good longevity and / or operating reliability.
  • Another object of the invention is to propose a method for producing the micro-actuator which is simple and economical.
  • an object of the invention is to propose a certain number of particular applications of the micro-actuator.
  • the invention more specifically relates to an optical micro-actuator comprising a cavity formed between at least one optical input channel and at least one optical output channel, the cavity being able to contain at least a first and a second optical fluids, with at least one different optical property, and means for modifying the position of an interface between the first and second optical fluids, with respect to the optical channels.
  • the means for modifying the position of the interface comprise at least one chamber, containing at least one fluid, in fluid relation with the cavity, and means with electrostatic control for modifying the volume of the chamber.
  • the cavity may contain either only one of the fluids, or the two fluids.
  • each of the fluids can overflow from the cavity according to the structure of the micro-actuator.
  • the term “interface” is understood to mean an intermediate zone situated between the two fluids which may have an almost zero thickness if the two fluids are immiscible or a thickness adapted according to the desired application (for example the thickness of a bundle) if the two fluids are partially miscible.
  • the interface is not necessarily flat.
  • the micro-actuator can comprise at least N optical input channels and M optical output channels, in which each optical input channel can be selectively connected to at least one of the optical output channels via the cavity.
  • N and M denote integers which are not necessarily equal.
  • optical input and output channels can be embodied, for example, by optical guides for transmitting light beams, or more simply by optical connection terminals capable of receiving such guides.
  • the "cavity" generally comes down to a simple spacing separating the entry and exit channels.
  • the first and second fluids are preferably chosen with different optical properties. These properties can in particular be properties of reflection, transmission, or refraction.
  • a light beam will be differently influenced by the different optical fluids that it is likely to meet or pass through.
  • a light beam traversing the cavity between the inlet and outlet path can cross one or the other of the fluids or a variable proportion of each of the fluids. This takes place, in particular, when the optical channels are not coplanar at the interface. According to the choice of optical fluids and defined angles previously, an incident beam can also be refracted, diffracted or reflected without passing through the fluid present in the cavity.
  • the chamber is in fluid relation with the cavity when a displacement of fluid in the chamber causes a displacement of fluid in the cavity.
  • a fluid effectively and freely flows from the chamber to the cavity can open directly into the cavity, be connected to it by a more or less long channel or even be possibly isolated by a transmission element such as a deformable cover. Such an element also makes it possible to avoid contact between the fluids.
  • the means for modifying the volume of the chamber may comprise a deformable membrane forming a wall of the chamber.
  • a membrane makes it possible to minimize the number of moving parts and auto.rise high operating frequencies.
  • the area of the free surface of the membrane can be chosen to be greater and even much greater than that of the section of the cavity.
  • a very small deformation of the membrane results in a large amplitude displacement of the fluids in the cavity.
  • the small displacements of the membrane then allow even higher operating frequencies.
  • the membrane can be equipped with electrostatic control means. These include, for example, a first electrode secured to the deformable membrane and a second electrode secured to a rigid support, disposed opposite the first electrode.
  • Contact restorations are also provided on said electrodes to allow electrostatic control.
  • These contact recoveries are preferably made by a metallic deposit in the plane of the electrodes after optionally etching to allow opening in the layers covering the electrodes. From these contacts, control is conventionally done by wire techniques and / or by transfer of an interconnection substrate.
  • the electrode integral with the membrane may possibly constitute the membrane itself.
  • the chamber may include a bladder containing at least one of a working fluid and an optical fluid, and the means for modifying the volume of the chamber may include means for crushing the bladder. Since the bladder is tight, the means for crushing the bladder can be not waterproof and, for example, made by a flexible actuatable beam.
  • the micro-actuator constituting a variant of that previously exposed, it may comprise at least a first chamber in fluid relationship with the cavity and at least a second chamber in fluid relationship with the cavity.
  • the means for modifying the volume of the chamber may comprise at least one deformable membrane forming a wall of at least one chamber.
  • each chamber is connected to a separate end of the cavity.
  • each chamber is connected to the same end. If more than two rooms are used, a combination of these two cases can be considered.
  • a micro-actuator according to the invention can, as mentioned above, be used in a component chosen from optical relays, optical extinguishers, optical switches and optical attenuators.
  • an optical stirrer can include a plurality of optical micro-actuators according to the invention.
  • the invention also relates to a method of producing a micro-actuator in a structure formed by a stack of layers, comprising the following steps: the formation of at least one fluid chamber in the structure, a rear part of the chamber comprising a first electrode, the release of the part of the rear part of the chamber thus formed to make a membrane and expose the first electrode, the formation of at least one optical path in the structure and the production of a cavity separating at least two parts of the optical path, the cavity coinciding with the chamber, the formation of a second electrode opposite the first, this second electrode allowing movement of the membrane.
  • an optical micro-actuator it comprises:
  • a second embodiment of the method for producing the optical micro-actuator it comprises the following steps: the formation of at least one fluid chamber in a first substrate with a first layer comprising the first electrode and a second layer comprising the second electrode, these two electrodes being separated by an insulating layer, the formation of said optical path in or on a second substrate and the etching of a cavity separating at least two parts of the optical path, the assembly of the first substrate and from the second substrate by making the cavity coincide with the chamber, - the release of a part of the first layer comprising the first electrode to form a membrane, by etching from the rear face of the first substrate of part of the insulating layer.
  • the fluid chamber is formed in a layer of material covering said stack and,
  • non-insulating is used to describe electrically conductive materials, in the usual sense of the term, such as, for example, metals, semiconductor materials such as, for example, polycrystalline, monocrystalline silicon or amorphous.
  • the micro-actuator chamber can be defined mainly in a layer of material covering the substrate. It is, for example, an open chamber which will not be closed, at least partially, until the assembly of the first and second substrates. Layers forming the optical guides can then also constitute walls of the chamber.
  • FIG. 1 is a schematic section of an optical actuator according to the invention.
  • FIGS. 2A and 2B are simplified schematic representations of an optical switch using an optical actuator according to the invention.
  • FIG. 3 to 8 are schematic sections of an optical actuator of the type of that of Figure 1, and illustrate successive steps of a method for manufacturing such an actuator.
  • - Figures 9, 10 and 11 are schematic sections illustrating possible embodiments other optical actuators according to the invention, constituting variants with respect to the device of FIG. 1.
  • FIG. 12 is a schematic section of an actuator, according to the invention constituting a variant of the actuator of Figure 1.
  • FIG. 13 is a schematic and simplified cross section of a two-chamber micro-actuator, according to the invention.
  • FIG. 14 is an enlarged section XIV-XIV of the micro-actuator of FIG. 13.
  • - Figure 15 is a schematic and simplified cross section of a double micro-actuator, according to the invention.
  • - Figure 16 is a schematic and simplified cross section of a micro-actuator according to the invention, and corresponding to an improvement.
  • Figure 1 shows an optical actuator according to the invention. It comprises an optical input channel 12 and an optical output channel 14.
  • the optical channels are input and output optical guides.
  • the optical guides are formed by stacks of layers: they respectively comprise a core 20 disposed between two confinement layers 22 and 24.
  • the guides can be connected to optical fibers not shown.
  • the guides can also be formed directly by optical fibers used for routing or transmitting a beam or a light signal.
  • the optical input and output channels have ends separated by a cavity 30.
  • a cavity 30 In the figure, there is shown a single optical input channel and a single optical output channel. However, several other optical channels can lead into the same cavity 30.
  • the cavity 30, which in the case of FIG. 1 is delimited mainly by the layers 20, 22, 24 forming the optical guides, contains two fluids having different optical properties.
  • the first fluid is a liquid 32 having a first refractive index and the second fluid is a gas 34, for example air, which has a different second refractive index, for example less than the first index of refraction.
  • the first and second fluids are separated by an interface identified with the reference 36.
  • the first fluid has an index close to that of the core 20 of the optical guides.
  • the cavity 30 is in fluid relation with a chamber 40 which contains a large part of the first fluid 32.
  • the fluid contained in the chamber 40 of variable volume, to be substantially incompressible.
  • the chamber 40 is delimited respectively by the confining layers 22 of the optical guides, by rigid lateral walls 42 and by a flexible membrane 44. All these wall elements are assembled together in a fixed and rigid manner so that none of the elements does not slide in relation to the other elements like a piston.
  • the flexible nature of the membrane 44 is however taken advantage of to modify the volume of the chamber 40.
  • the modification of the volume of the chamber causes the modification of the height of the first fluid 32 in the cavity 30, that is to say a displacement of the interface 36 between the first and second fluids.
  • the relative quantity of the first fluid and of the second fluid can be adjusted so that the interface 34 moves substantially at the height of the cores 20 of the optical guides of the input and output channels 12, 14.
  • a flexing of the membrane has the effect of modifying the medium present in the cavity and traversed by a light beam coming from the optical entry channel.
  • the interface between the first and the second fluids is a surface substantially parallel to the orientation of the cores of the optical guides 12, 14 which form the inlet and outlet channels.
  • the displacement of the interface above or below the propagation plane of the light beam coming from the input guide 12, has the effect that the beam respectively crosses the first fluid 32, or the second fluid 34.
  • the transition between these two states can be clear or softer depending on the position of the interface and its thickness.
  • a smoother transition would also be possible with a beam passing through a variable proportion of the first and second fluids.
  • an optical switch or attenuator By using a transparent fluid and a more or less opaque fluid for the light beam, it is possible to form, for example, an optical switch or attenuator.
  • the flexing of the membrane 44 is caused for example by electrostatic control means. These include a first electrode secured to the membrane and a second electrode disposed opposite the membrane and secured to a rigid support. A chamber 47 of very low height is provided between the electrodes so as to allow actuation of the membrane under low voltage. It is considered that the first and second electrodes are integral with the membrane and the fixed support either when they are attached to these parts, or when they are formed by these parts. In the case illustrated by FIG. 1, the membrane 44 and the rigid support 46 respectively constitute the first and second electrodes and are for this purpose in non-insulating material.
  • Contacts 56, 57, for example of metal, arranged respectively on the two electrodes make it possible to connect the electrodes to a voltage generator 58 capable of applying a potential difference ⁇ V between the electrodes.
  • the connection between the contacts and the generator is carried out either by wire techniques or by means of an interconnection substrate.
  • the distance between the electrodes is adjusted as a function of their surface, of the value of the potential differences likely to be delivered by the generator, and as a function of the stiffness of the membrane so that the electrostatic forces exerted between the support fixed and the membrane are sufficient to cause a deflection capable of creating a variation in volume in the chamber.
  • the distance between the electrodes also fixes the maximum amplitude of deflection of the membrane. It can be observed in this regard that a layer 48 of electrical insulating material covers the rigid support 46 to avoid a short circuit between the electrodes by contact or by breakdown.
  • a cover could possibly close the structure.
  • the cover may include a substrate hollowed out facing the cavity and deposited on the optical guides. This cover would in particular limit the evaporation of fluids and could contain another fluid.
  • a silicon membrane with a diameter of 200 ⁇ m, with a thickness of 1 ⁇ m, the resonance frequency of which is 10OKHz, and having to deflect 0.27 ⁇ m in its center, requires a distributed pressure of approximately 2700Pa. This corresponds to an electrostatic force exerted between the two electrodes, spaced 1 ⁇ m apart, and subjected to a potential difference of less than 50V.
  • the change in volume of the chamber must correspond to a change in volume in the cavity making it possible to move the interface 36 of the optical fluids on either side of a region in which open the optical guides.
  • the variation in volume is, in the example considered, 2800 ⁇ m 3 .
  • This corresponds to a capillary cavity 30 having a section of 20 ⁇ 7 ⁇ m 2 , and to a displacement of the interface of 20 ⁇ m.
  • the amplitude of displacement can be further reduced insofar as the dimensions of the beam leaving an optical guide can have a diameter of the order of 9 ⁇ m.
  • the amplitude of the displacement or the volume displaced may be greater for reasons of reliability of operation, for example during a temperature expansion of the fluids present.
  • the membrane 44 of the chamber 40 may, in fact, have an area much greater than the section of the cavity 30 which separates the ends of the optical guides.
  • a low amplitude of deformation of the membrane compatible with high operating frequencies, results in a rapid modification and of higher amplitude of the position of the interface 36 of the fluids present in the cavity.
  • FIGS. 2A and 2B A use of an actuator in accordance with FIG. 1 as an optical switch is illustrated very schematically in FIGS. 2A and 2B.
  • the references 12a and 12b respectively indicate a first and a second optical input channels which lead to a cavity 30 having a wall 31.
  • the cavity 30 is a cavity of an actuator as described above.
  • the wall 31 corresponds to the intersection between the optical path 12a and the cavity 30.
  • References 14a and 14b relate to optical output channels coplanar with the optical input channels and also leading to the cavity 30.
  • the actuator can have two switching states depending on whether the cavity 30 is occupied by a first or a second optical fluids. These two switching states are illustrated respectively in FIGS. 2A and 2B.
  • the cavity 30 is filled essentially by one of the optical fluids, for example water, so that the optical index of the medium on either side of the wall 31 is substantially the same.
  • a beam from the first entry channel 12a passes through the device to exit therefrom through the optical exit channel 14a aligned with the first entry channel.
  • a beam coming from the second inlet channel 12b passes through the device to exit therefrom through the optical outlet channel 14b aligned with the second inlet channel. This switching state does not deflect the beam.
  • the propagation of the beams is indicated by arrows.
  • the cavity 30 is filled essentially by an optical fluid whose index is different from that constituting the optical guides, for example, so that the optical index of the medium on the part and other side of the wall 31 is different and causes refraction.
  • a beam coming from the first entry channel 12a crosses the device in order to exit it not by the optical exit channel 14a aligned with the first entry channel, but by the optical exit channel 14b aligned with the second channel d 'Entrance.
  • a beam coming from the second inlet channel 12b passes through the device in order to exit therefrom via the first optical outlet channel 14a aligned with the first inlet channel 12a.
  • This switching state deflects the beam.
  • FIGS. 3 to 8 a method of manufacturing an optical actuator of the type of that of FIG. 1 is now described.
  • a first step comprises the formation of the chamber intended to contain at least one of the optical fluids. This is formed, for example, on an SOI type substrate
  • Silicon On Insulator Silicon on insulator comprising a massive layer of silicon 60, a buried layer
  • the thin surface layer has a thickness of the order of l ⁇ m, for example.
  • a thicker silicon oxide layer 142 is formed on the thin surface layer and is etched with stop on the thin silicon layer 144 to define the location and dimensions of the chamber 40. The etching of the layer d 'silicon oxide 142 leaves the side walls 42 of the chamber.
  • optical guides The manufacture of the optical guides is not described in detail here. It uses known techniques of optical confinement consisting of wrapping an optical core 20 in confinement layers 22, 24. The materials of the confinement layers having refractive indices lower than that of the core.
  • a next step, illustrated by FIG. 5, shows the elimination of the massive part 60 of the first substrate. This operation takes place by etching with stop on the buried silicon oxide layer 62.
  • a part of the buried layer of silicon oxide 62 is then also etched in a region coinciding with the chamber 40. This etching makes it possible to define the membrane 44 which corresponds to a part of the thin layer of silicon 144 exposed by etching. The membrane 44 is visible in FIG. 6.
  • the device of FIG. 6 is then transferred, as shown in FIG. 7, on a support substrate comprising a thick layer of silicon 46 covered with a thin layer of silicon oxide 48.
  • the transfer takes place by bringing into contact the surface layer of silicon oxide 48 of the support substrate on the part of the buried silicon layer 62 of the first substrate preserved during the etching exposed of the membrane. Bonding can, for example, take place by direct adhesion or by using an intermediate layer of glue.
  • the thickness of the buried oxide layer 62 of the first substrate partly determines the amplitude of movement of the membrane.
  • the oxide layer constitutes the side walls of an actuating cavity which is here filled with air, that is to say with a compressible gas, or partial vacuum.
  • the surface layer 48 of the support substrate constitutes an electrical insulation between the electrodes, that is to say between the membrane 44 and the thick layer of silicon 46.
  • a next step visible in FIG. 8 comprises the elimination of all or part of the sacrificial substrate so as to open the cavity 30.
  • the device is completed by filling the chamber 40 and part or all of the cavity 30 with a liquid or of a gel 32 forming the first optical fluid.
  • Contacts can also be formed on the membrane and the support substrate 46 which constitute the electrodes of the electrostatic control means.
  • FIG. 9 shows an optical actuator comprising a cavity 30 to which two separate chambers 40 and 40a are connected.
  • the chamber 40a has, for example, been formed by the sealing of a cover 70 after filling of the cavity.
  • the chambers are connected to the cavity on either side of the optical guides 12, 14, forming the entry and exit paths.
  • the first chamber 40 has a construction very close to the chamber 40 in FIG. 1. It comprises a flexible membrane 44 driven by electrostatic control means.
  • the wall of the chamber can be rigid or have a certain flexibility in order to limit any attenuation of movement of the interface 36. If the wall of the chamber is flexible, a compressible ballast fluid 35 may or may not be used.
  • the second chamber 40a does not have a membrane.
  • the first chamber contains a first fluid 31 called the working fluid. It is, for example, an incompressible liquid which does not necessarily have optical properties and whose volume is insufficient to reach the cavity.
  • the fluid motor is only used to transmit the movement of the membrane to the optical fluids.
  • the optical fluids are identified with the references 32 and 34.
  • the first optical fluid 32 extends from the cavity 30 where it is in contact with the second optical fluid 34, as far as the first chamber 40.
  • the second optical fluid 34 extends partly in the second chamber 40a.
  • the chamber 40a is also filled with a ballast fluid 35, for example air or another compressible gas, to compensate for the changes in volume of the first chamber 40.
  • a ballast fluid 35 for example air or another compressible gas, to compensate for the changes in volume of the first chamber 40.
  • the driving fluid can choose water, an oil, an alcohol, a dielectric liquid, a magnetic fluid, etc.
  • the optical fluid we can take the same as before, as well as atmospheric air, or under partial vacuum.
  • the optical actuator of FIG. 9 has the advantage of being completely sealed from the outside environment and therefore of being difficult to influence.
  • FIG. 10 illustrates another exemplary embodiment of an actuator according to the invention.
  • This comprises two chambers 40 and 41 each comprising a flexible membrane 44, 45 driven by an electrostatic motor of the type already described.
  • a conductive support layer 46 constitutes a fixed electrode common in this example to the two motors.
  • the chambers, which each contain an optical fluid, are interconnected by a channel which forms a cavity 30 within the meaning of the invention.
  • One of the optical guides is shown in simplified form with the reference 14. It opens into the cavity in an area in which the interface 36 between the optical fluids can move under the effect of the deformation of the membranes. The displacement of the interface makes it possible to put the end of the optical guide in contact sometimes with all or part of one of the optical fluids sometimes with all or part of the other, in this example, the interface 36 is substantially perpendicular in terms of layers.
  • variable volume chamber of the optical actuator contains a bladder 43 or is even formed by the bladder 43.
  • the bladder 43 is connected to the cavity 30 and essentially contains an optical fluid 32 whose height in the cavity can be changed by modifying the volume of the bladder.
  • the means for modifying the volume of the bladder essentially comprise a flexible beam 80, a first fixed end of which is secured to a support 82 and one free end of which can more or less crush the bladder when the beam is biased towards bending the bladder.
  • the bending of the beam is caused by any external actuation symbolized simply by an arrow.
  • the actuation can for example result from a piston device, an electrostatic motor or an electromagnetic motor, for example.
  • the actuation can be also do it directly on the bladder, and by means which would not be achieved by microelectronics techniques (for example electromagnet or piezoelectric actuator).
  • FIG. 11 we can note the presence of two optical guides 12 and 14 extending in substantially perpendicular directions and opening into the cavity 30.
  • One of the main advantages of the optical actuator of FIG. 11 consists in the simplification of the manufacture of the chamber or more precisely of the receptacle 84 of the optical fluid. Indeed, as the bladder acts as a variable volume chamber and provides the seal necessary for the conservation of the optical fluid, the receptacle 84 can be perforated or at least have an imperfect seal.
  • Selectivity can be achieved in particular by the dimensions of the exhausts, surface treatments and / or the choice of materials ensuring appropriate capillarity effects.
  • Figure 12 shows an actuator whose structure is close to that of the actuator already described with reference to Figure 1.
  • the actuator is formed by the assembly of a first substrate conforming to the substrate described with reference to Figure 3 , and a second substrate on which the optical guides 12,14 are formed. After etching of the chamber 40, in a layer of silicon oxide 142, the first and second substrates are assembled by aligning the cavity 30 with the chamber 40.
  • An opening 50 is then made in the massive wall of the substrate comprising the thick layer 46 of silicon.
  • the opening 50 passes through the layer 46 right through until it reaches the layer of silicon oxide in the earth 62.
  • a selective chemical attack, practiced through the opening 50, then makes it possible to partially etch the buried layer d silicon oxide to release the thin layer 144 on its rear face and thus form the membrane 44.
  • the membrane 44 and the thick layer 46 of the silicon substrate respectively form the electrodes of electrostatic means for actuating the membrane
  • the optical actuator in FIG. 13 is a two-chamber actuator 40 and 41, comparable to the actuator in FIG. 10. It also includes an SOI type substrate with a "surface" layer 144, separated from a solid part by an insulating buried layer 162.
  • the layer 144 which is, for example, a silicon layer, is used for the formation of the membranes 44 and 45.
  • the chambers 40 and 41, as well as the channel 30, are formed in a same layer of material which is identified with the reference 42 by analogy with the preceding figures.
  • Reference 36 designates the interface between the optical fluids.
  • the references 52 and 54 indicate the filling channels of the chambers passing through a substrate 46. These are provided for filling the chambers with optical fluids after the substrates have been assembled.
  • the channels 52 and 54 are closed by plugs 70.
  • the optical guides are indicated very briefly in broken lines.
  • Figure 14 which is a section XIV-XIV of Figure 13, allows to better see the arrangement of the optical guides of entry and exit. It is observed that the device is provided with two optical input channels 12a and 12b as well as two optical output channels 14a and 14b.
  • FIG. 15 shows a particular device including in the same substrate two optical actuators in accordance with the invention.
  • the two actuators each have a chamber 40, 40a, respectively provided with a flexible membrane 44, 44a.
  • the membranes also constitute electrodes cooperating with the thick layer 46 of the substrate used as a counter electrode.
  • a trench 51 formed in the substrate extends right through the layer 46 and is filled with an electrical insulating material 53.
  • the trench and the insulating material are provided to insulate two parts of the thick layer 46, which respectively form counter electrodes for the membranes of the two optical actuators.
  • Contacts 56a and 56b are formed on a rear face of the thick layer 46 and are separated by a layer of electrical insulation. The rear face is here the face turned away from the chambers 40 and 40a.
  • a control substrate indicated in broken lines can be transferred to the face having the contact points 56a and 56b.
  • the control substrate has, for example, cornices coinciding with the contact points and may include a matrix addressing circuit and control of the contact points. This circuit is not shown for reasons of clarity.
  • FIG. 16 shows a micro-actuator constituting a variant of the micro-actuator described with reference to FIG. 9. It shows an improvement aimed at compensating for the effects of a fluctuation in the temperature to which the device risks being subjected. More specifically, the improvement aims to compensate for the effects of a dilation of a fluid and in particular of the ballast fluid 35 contained in the second chamber 40a.
  • This fluid can, in particular if it is a gas, have a sensitivity to temperature, and possibly cause inadvertent switching, when the switching threshold is low.
  • the micro-actuator of FIG. 16 for this purpose comprises a vent channel 49 which connects the second chamber 40a to the chamber 47 located on one side of the membrane 44 opposite the cavity 30.
  • the chamber 47 is partly delimited by the membrane 44, or, optionally, by the actuation electrodes of the membrane.
  • the expansion of one of the fluids, or at least of the ballast fluid causes pressure not only on one side of the fluid contained in the cavity 30 but also on the membrane.
  • vent channel can be etched through the different layers of the stack.
  • section plane of Figure 16 forms an angle with the section plane of Figure 9, so that the optical channels are not visible in Figure 16.
  • the end of the optical channels open into the cavity 30 but are not shown for reasons of clarity of the figure.
  • Insensitivity to temperature can also be obtained, for example, by trapping the same fluid at the same pressure in the chambers 40a and 47 on either side of the cavity 30. In this case, the presence of a channel d 'vent is superfluous. It is finally possible to thermostate the entire device. These solutions are however more difficult to implement.

Abstract

La présente invention concerne un micro-actionneur optique comportant une cavité (30) ménagée entre au moins une voie optique d'entrée (12, 12a, 12b) et au moins une voie optique de sortie (14, 14a, 14b), la cavité étant apte à contenir au moins un premi er et un deuxième fluides optiques (32, 33, 34, 35), avec des propriétés optiques différentes, et des moyens pour modifier la position d'une interface entre les premier et deuxième fluides optiques par rapport aux voies optiques. Conformément à l'invention, les moyens pour modifier la position de l'interface comportent au moins une chambre, contenant au moins un fluide, en relation fluidique avec la cavité, et des moyens pour modifier le volume de la chambre. Application à la réalisation de commutateurs et de brasseurs optiques.

Description

MICRO-ACTIONNEUR OPTIQUE, COMPOSANT OPTIQUE UTILISANT
LE MICRO-ACTIONNEUR, ET PROCEDE DE REALISATION D'UN
MICRO-ACTIONNEUR OPTIQUE
Domaine technique
La présente invention concerne un micro- actionneur optique, un composant optique utilisant le micro-actionneur, et un procédé de réalisation d'un micro-actionneur optique. On entend par micro-actionneur optique un organe susceptible de modifier au moins une caractéristique d'un faisceau lumineux en réponse à un signal de commande, et qui est susceptible d'être intégré dans un circuit de commutation optique, par exemple.
Un tel micro-actionneur trouve des applications dans la fabrication de composants optiques tels que, par exemple, des relais, des commutateurs, des atténuateurs, des extincteurs ou des dispositifs plus complexes tels que des circuits optiques à commutation, des brasseurs optiques ou des multiplexeurs optiques.
Etat de la technique antérieure.
Pour modifier une caractéristique d'un faisceau lumineux, les micro-actionneurs .connus comprennent un milieu optique particulier qu' il est possible d'interposer dans le faisceau lumineux, en réponse à un signal généralement électrique. Le milieu interposé dans le faisceau est capable d'en modifier, par exemple, la densité de flux lumineux, pour l'atténuer ou l'éteindre, ou encore d'en modifier la direction. Ceci permet, par exemple, de diriger le faisceau vers une voie optique de sortie sélectionnée parmi une pluralité de voies de sortie possibles.
Le milieu qui est interposé au faisceau lumineux peut être un milieu solide, un milieu liquide, ou un milieu gazeux.
L'état de la technique est principalement illustré par les documents (1) à (9) dont les références complètes sont précisées à la fin de la description.
De façon plus précise, on connaît des systèmes utilisant des propriétés électro-optiques ou thermooptiques de certains matériaux pour modifier l'indice de réfraction, la transparence ou la réflectivité d'un milieu traversé par le faisceau. On peut à ce sujet se reporter au document (4) par exemple.
D'autres systèmes utilisent un miroir réfléchissant, une lame plus ou moins transparente, ou une lame d'indice déterminé, disposée ou retirée du chemin optique parcouru par le faisceau.
Les documents (1) et (2) indiquent des systèmes basés sur des techniques d'éjection de fluides ou de techniques de production de bulles gazeuses.
Les documents (3) et (8) , indiquent des commutateurs optiques utilisant le déplacement d'un liquide entre deux guides optiques au moyen d' une pompe ou d'un élément chauffant.
L'ensemble des dispositifs mentionnés ci-dessus et illustrés par les documents cités présentent des limitations qui se manifestent essentiellement dans leur fréquence de fonctionnement, ou de résonance, et dans leur pérennité.
Les dispositifs équipés d'organes mécaniques mobiles peuvent souffrir de l'inertie de ces organes. Leurs temps de réponse aux signaux de commande sont relativement longs et ils nécessitent une énergie de commande importante .
Les dispositifs qui utilisent un milieu liquide ou gazeux présentent une sensibilité élevée à l'environnement et souffrent des vibrations, des chocs ou des variations de température répétés. De plus, le milieu liquide peut également présenter une inertie non négligeable et limiter la fréquence de fonctionnement.
Exposé de l'invention
L'invention a pour but de proposer un micro- actionneur optique ne présentant pas les limitations des dispositifs évoqués ci-dessus, ou pour lequel ces limitations sont moins restrictives. Un but est en particulier de proposer un micro- actionneur optique présentant une faible inertie mécanique et susceptible de fonctionner à haute fréquence.
Un autre but est de proposer un tel actionneur optique qui comporte un minimum d'éléments mobiles et qui présente une bonne longévité et/ou fiabilité de fonctionnement .
Un but de l'invention est encore de proposer un procédé de réalisation du micro-actionneur qui soit simple et économique. Enfin, un but de l'invention est de proposer un certain nombre d' applications particulières du micro- actionneur .
Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un micro-actionneur optique comportant une cavité ménagée entre au moins une voie optique d'entrée et au moins une voie optique de sortie, la cavité étant apte à contenir au moins un premier et un deuxième fluides optiques, avec au moins une propriété optique différente, et des moyens pour modifier la position d'une interface entre les premier et deuxième fluides optiques, par rapport aux voies optiques. Dans ce dispositif, les moyens pour modifier la position de l'interface comportent au moins une chambre, contenant au moins un fluide, en relation fluidique avec la cavité, et des moyens à commande électrostatique pour modifier le volume de la chambre.
Ainsi, suivant le fonctionnement du micro- actionneur, à un instant donné, la cavité peut contenir soit uniquement l'un des fluides, soit les deux fluides. Bien entendu, chacun des fluides peut déborder de la cavité suivant la structure du micro-acticnneur .
Par ailleurs, on entend par interface une zone intermédiaire située entre les deux fluides qui peut avoir une épaisseur quasi-nulle si les deux fluides sont non miscibles ou une épaisseur adaptée en fonction de l'application souhaitée (par exemple de l'épaisseur d'un faisceau) si les deux fluides sont partiellement miscibles. L'interface n'est pas forcément plane. Le micro-actionneur peut comporter au moins N voies optiques d'entrée et M voies optiques de sortie, dans lequel chaque voie optique d' entrée peut être connectée sélectivement à l'une au moins des voies optiques de sortie par l'intermédiaire de la cavité. N et M désignent des entiers qui ne sont pas nécessairement égaux.
Les voies optiques d'entrée et de sortie peuvent être matérialisées, par exemple, par des guides optiques de transmission de faisceaux lumineux, ou plus simplement par des terminaux de connexion optique pouvant recevoir de tels guides. La « cavité » se résume généralement à un simple espacement séparant les voies d'entrée et de sortie.
Les premier et deuxièmes fluides, et plus généralement l'ensemble des fluides optiques mis en œuvre, sont choisis préférentiellement avec des propriétés optiques différentes. Ces propriétés peuvent être notamment des propriétés de réflexion, de transmission, ou de réfraction.
Ainsi, un faisceau lumineux sera différemment influencé par les différents fluides optiques qu'il est susceptible de rencontrer ou de traverser.
Selon la position de l'interface entre les deux fluides et des angles entre les axes optiques des voies d'entrée et de sortie d'une part et les parois de la cavité coupant les voies optiques d'autre part, un faisceau lumineux parcourant la cavité entre la voie d'entrée et de sortie, peut traverser l'un ou l'autre des fluides ou une proportion variable de chacun des fluides. Ceci a lieu, en particulier, lorsque les voies optiques ne sont pas coplanaires à l'interface. Selon le choix des fluides optiques et des angles définis précédemment, un faisceau incident peut aussi être réfracté, diffracté ou réfléchi sans traverser le fluide présent dans la cavité.
On considère enfin que la chambre est en relation fluidique avec la cavité lorsqu'un déplacement de fluide dans la chambre provoque un déplacement de fluide dans la cavité. Ceci n'implique pas nécessairement qu'un fluide circule effectivement, et de façon libre, de la chambre vers la cavité. Par exemple, la chambre peut déboucher directement dans la cavité, y être reliée par un canal plus ou moins long ou même en être éventuellement isolée par un élément de transmission tel qu'un opercule déformable. Un tel élément permet en outre d'éviter le contact entre les fluides.
Selon une réalisation particulière du micro- actionneur, les moyens pour modifier le volume de la chambre peuvent comporter une membrane déformable formant une paroi de la chambre. L'utilisation d'une membrane permet de réduire au minimum le nombre de parties mobiles et auto.rise des fréquences de fonctionnement élevées.
Conformément à une caractéristique avantageuse de l'invention, l'aire de la surface libre de la membrane peut être choisie supérieure et même très supérieure à celle de la section de la cavité. Ainsi une très faible déformation de la membrane résulte en un déplacement de grande amplitude des fluides dans la cavité. Les faibles déplacements de la membrane autorisent alors des fréquences de fonctionnement encore supérieures. Plusieurs solutions peuvent être envisagées pour provoquer un mouvement de la membrane en réponse à un signal de commande. A titre l'exemple, la membrane peut être équipée de moyens de commande électrostatiques. Ceux-ci comprennent, par exemple, une première électrode solidaire de la membrane déformable et une deuxième électrode solidaire d'un support rigide, disposée en face de la première électrode. Des reprises de contact sont par ailleurs prévus sur lesdites électrodes pour permettre une commande électrostatique. Ces reprises de contact sont réalisés de préférence par un dépôt métallique dans le plan des électrodes après éventuellement une gravure pour permettre une ouverture dans les couches recouvrant les électrodes. A partir de ces contacts la commande se fait classiquement par des techniques filaires et/ou par report d'un substrat d'interconnexion.
On peut noter que l'électrode solidaire de la membrane peut éventuellement constituer elle-même la membrane.
D'autres moyens de commande, par exemple piézoélectriques, magnétiques, thermiques, pneumatiques, etc. ou une combinaison de ces moyens peuvent être également utilisés. Selon une autre possibilité, la chambre peut comprendre une vessie contenant au moins l'un parmi un fluide moteur et un fluide optique, et les moyens pour modifier le volume de la chambre peuvent comporter des moyens pour écraser la vessie. Comme la vessie est étanche, les moyens pour écraser la vessie peuvent être non étanches et, par exemple, réalisés par une poutre flexible actionnable.
Dans une réalisation du micro-actionneur constituant une variante de celle précédemment exposée, celui-ci peut comporter au moins une première chambre en relation fluidique avec la cavité et au moins une deuxième chambre en relation fluidique avec la cavité. Dans ce cas, les moyens pour modifier le volume de la chambre peuvent comprendre au moins une membrane déformable formant une paroi d'au moins une chambre. De préférence, chaque chambre est connectée à une extrémité distincte de la cavité. Bien entendu, on peut aussi envisager le cas où chaque chambre est connectée à la même extrémité. Dans le cas de l'utilisation de plus de deux chambres, une combinaison de ces deux cas peut être envisagée.
Un micro-actionneur conforme à l'invention peut, comme évoqué précédemment être utilisé dans un composant choisi parmi les relais optiques, les extincteurs optiques, les commutateurs optiques et les atténuateurs optiques. De même, un brasseur optique peut comporter une pluralité de micro-actionneurs optiques conformes à l'invention.
L' invention concerne également un procédé de réalisation d'un micro-actionneur dans une structure formée d'un empilement de couches, comprenant les étapes suivantes : la formation d'au moins une chambre à fluide dans la structure, une partie arrière de la chambre comprenant une première électrode, la libération de la partie de la partie arrière de la chambre ainsi formée pour réaliser une membrane et mettre à nu la première électrode, la formation d'au moins une voie optique dans la structure et réalisation d'une cavité séparant au moins deux parties de la voie optique, la cavité coïncidant avec la chambre, la formation d'une deuxième électrode en regard de la première, cette deuxième électrode autorisant un débattement de la membrane.
Les étapes du procédé peuvent être réalisées dans cet ordre ou dans un ordre différent.
Selon un premier mode de mise en œuvre du procédé de réalisation d'un micro-actionneur optique, celui-ci comprend :
- la formation d'une chambre à fluide dans ou sur un premier substrat comprenant la première électrode,
- la formation d'au moins une voie optique dans ou sur un second substrat et la gravure d'une cavité séparant au moins deux parties de la voie optique,
- l'assemblage du premier substrat et du second substrat en faisant coïncider la cavité avec la chambre,
- la libération d'une partie du premier substrat, par la face arrière, pour former la membrane et mettre à nu la première électrode,
- le report sur le premier substrat d'un troisième substrat, comprenant une deuxième électrode, le troisième substrat étant reporté sur le premier substrat par l'intermédiaire de cales autorisant un débattement de la membrane. Selon un deuxième mode de mise en œuvre du procédé de réalisation du micro-actionneur optique, il comprend les étapes suivantes : la formation d'au moins une chambre à fluide dans un premier substrat avec une première couche comportant la première électrode et une deuxième couche comportant la deuxième électrode, ces deux électrodes étant séparées par une couche isolante, la formation de ladite voie optique dans ou sur un second substrat et la gravure d'une cavité séparant au moins deux parties de la voie optique, l'assemblage du premier substrat et du second substrat en faisant coïncider la cavité avec la chambre, - la libération d'une partie de la première couche comportant la première électrode pour former une membrane, par gravure à partir de la face arrière du premier substrat d'une partie de la couche isolante. Conformément à une mise en œuvre préférée du procédé on peut utiliser un premier substrat comportant une partie massive de silicium et, sur cette partie massive, un empilement comprenant une couche isolante électrique et une couche non-isolante, dans lequel :
- on forme la chambre à fluide dans une couche de matériau recouvrant ledit empilement et,
- lors de la libération de la membrane, on élimine la partie massive du premier substrat et on conserve, comme membrane, au moins une couche de l'empilement de couches, la couche non-isolante de l'empilement formant une électrode solidaire de la membrane. On qualifie de « non-isolant » aussi bien les matériaux conducteurs de l'électricité, au sens usuel du terme, tels que, par exemple, les métaux, les matériaux semi-conducteurs tels que, par exemple, le silicium polycristallin, monocristallin ou amorphe.
La chambre du micro-actionneur peut être définie principalement dans une couche de matériau recouvrant le substrat. Il s'agit, par exemple, d'une chambre ouverte qui ne sera fermée, au moins partiellement, qu'au moment de l'assemblage du premier et du second substrats. Des couches formant les guides optiques peuvent alors constituer également des parois de la chambre .
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés.
Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif.
Brève description des figures
- La figure 1 est une coupe schématique d'un actionneur optique conforme à l'invention.
- Les figures 2A et 2B sont des représentations schématiques simplifiées d'un commutateur optique utilisant un actionneur optique conforme à l'invention.
- Les figures 3 à 8 sont des coupes schématiques d'un actionneur optique du type de celui de la figure 1, et illustrent des étapes successives d'un procédé permettant de fabriquer un tel actionneur. - Les figures 9, 10 et 11 sont des coupes schématiques illustrant des possibilités de réalisation d'autres actionneurs optiques conformes à l'invention, constituant des variantes par rapport au dispositif de la figure 1.
- La figure 12 est une coupe schématique d'un actionneur, conforme à l' invention constituant une variante de l' actionneur de la figure 1.
- La figure 13 est un coupe transversale schématique et simplifiée d'un micro-actionneur à deux chambres, conforme à l'invention. - la figure 14 est une coupe XIV-XIV élargie du micro-actionneur de la figure 13.
- La figure 15 est une coupe transversale schématique et simplifiée d'un micro-actionneur double, conforme à l'invention. - La figure 16 est une coupe transversale, schématique et simplifiée, d'un micro-actionneur conforme à l'invention, et correspondant à un perfectionnement .
Description détaillée de modes de mise en œuyre de
1' invention.
Sur les figures auxquelles se réfère la description qui suit, des parties identiques, similaires ou équivalentes sont repérées avec les mêmes références numériques. Par ailleurs, pour des raisons de clarté des figures, les différentes parties ne sont pas représentées selon une échelle homogène.
La figure 1 montre un actionneur optique conforme à l'invention. Il comprend une voie optique d'entrée 12 et une voie optique de sortie 14. Dans l'exemple de la figure les voies optiques sont des guides optiques d'entrée et de sortie. Les guides optiques sont formés par des empilements de couches : ils comportent respectivement un cœur 20 disposé entre deux couches de confinement 22 et 24. Les guides peuvent être raccordés à des fibres optiques non représentées .
Selon une autre possibilité, les guides peuvent aussi être constitués directement par des fibres optiques utilisées pour l'acheminement ou la transmission d'un faisceau ou d'un signal lumineux.
Les voies optiques d'entrée et de sortie présentent des extrémités séparées par une cavité 30. Sur la figure, on a représenté une seule voie optique d'entrée et une seule voie optique de sortie. Toutefois, plusieurs autres voies optiques peuvent déboucher dans la même cavité 30.
La cavité 30, qui dans le cas de la figure 1 est délimitée principalement par les couches 20, 22, 24 formant les guides optiques, contient deux fluides présentant des propriétés optiques différentes. Dans l'exemple illustré, le premier fluide est un liquide 32 présentant un premier indice de réfraction et le deuxième fluide est un gaz 34, par exemple de l'air, qui présente un deuxième indice de réfraction différent, par exemple inférieur au premier indice de réfraction. Le premier et le deuxième fluides sont séparés par une interface repérée avec la référence 36. De préférence, le premier fluide présente un indice proche de celui du cœur 20 des guides optiques. La cavité 30 est en relation fluidique avec une chambre 40 qui contient une grande partie du premier fluide 32. Bien que ce ne soit pas indispensable au bon fonctionnement de l' actionneur, il est préférable que le fluide contenu dans la chambre 40, de volume variable, soit sensiblement incompressible. La chambre 40 est délimitée respectivement par les couches de confinement 22 des guides optiques, par des parois latérales rigides 42 et par une membrane flexible 44. Tous ces éléments de paroi sont assemblés entre eux de manière fixe et rigide de sorte qu'aucun des éléments ne coulisse par rapport aux autres éléments à la manière d'un piston.
Le caractère flexible de la membrane 44 est cependant mis à profit pour modifier le volume de la chambre 40. La modification du volume de la chambre provoque la modification de la hauteur du premier fluide 32 dans la cavité 30, c'est-à-dire un déplacement de l'interface 36 entre les premier et deuxième fluides. La quantité relative du premier fluide et du deuxième fluide peut être ajustée de telle façon que l'interface 34 se déplace sensiblement à la hauteur des cœurs 20 des guides optiques des voies d'entrée et de sortie 12, 14. Dans ce cas, une flexion de la membrane a pour effet de modifier le milieu présent dans la cavité et traversé par un faisceau lumineux en provenance de la voie optique d'entrée. Plus précisément, dans l'exemple de la figure, l'interface entre le premier et le deuxième fluides est une surface sensiblement parallèle à l'orientation des cœurs des guides optiques 12, 14 qui forment les voies d'entrée et de sortie. Le déplacement de l'interface au-dessus ou en-dessous du plan de propagation du faisceau lumineux provenant du guide d'entrée 12, a pour effet que le faisceau traverse respectivement le premier fluide 32, ou le deuxième fluide 34. La transition entre ces deux états peut être franche ou plus douce en fonction de la position de l'interface et son épaisseur. Dans d'autres exemples (tels que ceux des figures 10 et 13 décrites ultérieurement), dans lesquels l'interface ne serait pas sensiblement parallèle au plan défini par les cœurs des guides optiques, une transition plus douce serait également possible avec un faisceau traversant une proportion variable du premier et du deuxième fluides.
En utilisant un fluide transparent et un fluide plus ou moins opaque pour le faisceau de lumière, il est possible de former, par exemple, un interrupteur ou un atténuateur optique.
La flexion de la membrane 44 est provoquée par exemple par des moyens de commande électrostatique. Ceux-ci comprennent une première électrode solidaire de la membrane et une deuxième électrode disposée en regard de la membrane et solidaire d'un support rigide. Une chambre 47 de très faible hauteur est prévue entre les électrodes de façon à autoriser un actionnement de la membrane sous faible tension. On considère que les première et deuxième électrodes sont solidaires de la membrane et du support fixe soit lorsqu'elles sont rapportées sur ces parties, soit lorsqu'elles sont constituées par ces parties. Dans le cas illustré par la figure 1, la membrane 44 et le support rigide 46 constituent respectivement les première et deuxième électrodes et sont à cet effet en un matériau non-isolant. Des prises de contacts 56, 57, par exemple métalliques, disposées respectivement sur les deux électrodes permettent de relier les électrodes à un générateur de tension 58 capable d'appliquer entre les électrodes une différence de potentiel ΔV. La liaison entre les prises de contact et le générateur est réalisée soit par des techniques filaires soit par l'intermédiaire d'un substrat d'interconnexion.
La distance entre les électrodes est ajustée en fonction de leur surface, de la valeur des différences de potentiel susceptibles d'être délivrées par le générateur, et en fonction de la raideur de la membrane de façon que les forces électrostatiques s' exerçant entre le support fixe et la membrane soient suffisantes pour en provoquer une déflexion apte à créer une variation de volume dans la chambre. La distance entre les électrodes fixe également l'amplitude maximum de déflexion de la membrane. On peut observer à ce sujet qu'une couche 48 de matériau isolant électrique recouvre le support rigide 46 pour éviter un court- circuit entre les électrodes par contact ou par claquage.
Un capot pourrait éventuellement refermer la structure. Le capot peut comporter un substrat creusé en regard de la cavité et déposé sur les guides optiques. Ce capot permettrait en particulier de limiter l' évaporation des fluides et pourrait contenir un autre fluide.
A titre d'illustration, une membrane de silicium d'un diamètre de 200μm, d'une épaisseur de lμm, dont la fréquence de résonance est de lOOKHz, et devant se défléchir de 0.27μm en son centre, nécessite une pression répartie de 2700Pa approximativement. Ceci correspond à une force électrostatique exercée entre les deux électrodes, distantes de lμm, et soumises à une différence de potentiel inférieure à 50V.
Dans l'exemple donné ci-dessus, on considère que la variation de volume de la chambre doit correspondre à une variation de volume dans la cavité permettant de déplacer l'interface 36 des fluides optiques de part et d'autre d'une région dans laquelle débouchent les guides optiques. La variation de volume est, dans l'exemple considéré, de 2800 μm3. Ceci correspond à une cavité capillaire 30 ayant une section de 20x7 μm2, et à un déplacement de l'interface de 20μm. Dans des cas particuliers, l'amplitude de déplacement peut encore être réduite dans la mesure où les dimensions du faisceau sortant d'un guide optique peut présenter un diamètre de l'ordre de 9μm. L'amplitude du déplacement ou le volume déplacé peut être plus grand pour des raisons de fiabilité du fonctionnement, par exemple lors d'une dilatation en température des fluides en présence.
Selon un aspect avantageux de la construction de l' actionneur, la membrane 44 de la chambre 40 peut, en effet, présenter une aire très supérieure à la section de la cavité 30 qui sépare les extrémités des guides optiques. Ainsi une faible amplitude de déformation de la membrane, compatible avec des fréquences de fonctionnement élevées, se traduit par une modification rapide et de plus forte amplitude de la position de l'interface 36 des fluides présents dans la cavité.
Une utilisation d'un actionneur conforme à la figure 1, comme commutateur optique est illustrée de façon très schématique par les figures 2A et 2B. Les références 12a et 12b indiquent respectivement une première et une deuxième voies optiques d'entrée qui aboutissent à une cavité 30 présentant une paroi 31. La cavité 30 est une cavité d'un actionneur tel que décrit précédemment. La paroi 31 correspond à l'intersection entre la voie optique 12a et la cavité 30.
Les références 14a et 14b se rapportent à des voies optiques de sortie coplanaires aux voies optiques d'entrée et aboutissant également à la cavité 30. L' actionneur peut avoir deux états de commutation selon que la cavité 30 est occupée par un premier ou un deuxième fluides optiques. Ces deux états de commutation sont illustrés respectivement par les figures 2A et 2B. Dans l'état de commutation correspondant à la figure 2A, la cavité 30 est remplie essentiellement par l'un des fluides optiques, par exemple de l'eau, de sorte que l'indice optique du milieu de part et d'autre de la paroi 31 est sensiblement le même. Un faisceau en provenance de la première voie d'entrée 12a traverse le dispositif pour en ressortir par la voie optique de sortie 14a alignée avec la première voie d'entrée.
De la même façon, un faisceau en provenance de la deuxième voie d'entrée 12b traverse le dispositif pour en ressortir par la voie optique de sortie 14b alignée avec la deuxième voie d'entrée. Cet état de commutation ne dévie pas le faisceau. La propagation des faisceaux est indiquée par des flèches.
Dans l'état de commutation correspondant à la figure 2B, la cavité 30 est remplie essentiellement par un fluide optique dont l'indice est différent de celui constituant les guides optiques, par exemple, de sorte que l'indice optique du milieu de part et d'autre de la paroi 31 est différent et provoque une réfraction. Un faisceau en provenance de la première voie d'entrée 12a traverse le dispositif pour en ressortir non pas par la voie optique de sortie 14a alignée avec la première voie d'entrée, mais par la voie optique de sortie 14b alignée avec la deuxième voie d'entrée. De même, un faisceau en provenance de la deuxième voie d'entrée 12b traverse le dispositif pour en ressortir par la première voie optique de sortie 14a alignée avec la première voie d'entrée 12a.
Cet état de commutation dévie le faisceau. En se reportant aux figures 3 à 8 on décrit à présent un procédé de fabrication d'un actionneur optique du type de celui de la figure 1.
Une première étape, correspondant à la figure 3, comprend la formation de la chambre destinée à contenir au moins l'un des fluides optiques. Celle-ci est formée, par exemple, sur un substrat de type SOI
(Silicon On Insulator, silicium sur isolant) comprenant une couche massive de silicium 60, une couche enterrée
62 d'oxyde de silicium et une couche mince superficielle de silicium 144. La couche mince superficielle présente une épaisseur de l'ordre de lμm, par exemple. Une couche d'oxyde de silicium 142, plus épaisse, est formée sur la couche mince superficielle et est gravée avec arrêt sur la couche mince de silicium 144 pour définir l'emplacement et les dimensions de la chambre 40. La gravure de la couche d'oxyde de silicium 142 laisse subsister les parois latérales 42 de la chambre.
Un deuxième substrat sacrificiel 64, sur lequel on a formé des guides optiques d'entrée et de sortie 12, 14, séparés par une cavité 30, est reporté et collé sur le premier substrat en mettant en contact les guides optiques 12 et 14 avec les parois latérales 42 de la chambre 40. Le collage peut avoir lieu, par exemple, par adhésion moléculaire directe ou par l'intermédiaire d'une colle. Cette étape est représentée à la figure 4.
La fabrication des guides optique n'est pas décrite de façon détaillée ici. Elle fait appel à des techniques connues de confinement optique consistant à envelopper un cœur optique 20 dans des couches de confinement 22, 24. Les matériaux des couches de confinement présentant des indices de réfraction inférieurs à celui du cœur.
Une étape suivante, illustrée par la figure 5 montre l'élimination de la partie massive 60 du premier substrat. Cette opération a lieu par gravure avec arrêt sur la couche d'oxyde de silicium enterrée 62.
Une partie de la couche enterrée d' oxyde de silicium 62 est ensuite également gravée dans une région coïncidant avec la chambre 40. Cette gravure permet de définir la membrane 44 qui correspond à une partie de la couche mince de silicium 144 mise à nu par la gravure. La membrane 44 est visible sur la figure 6.
Le dispositif de la figure 6 est ensuite reporté, comme le montre la figure 7, sur un substrat de support comportant une couche épaisse de silicium 46 recouverte d'une couche mince d'oxyde de silicium 48. Le report a lieu en mettant en contact la couche superficielle d'oxyde de silicium 48 du substrat de support sur la partie de la couche de silicium enterrée 62 du premier substrat préservée lors de la gravure de mise à nu de la membrane. Le collage peut, par exemple, avoir lieu par adhérence directe ou en utilisant une couche intermédiaire de colle.
On constate à présent sur la figure 7 que l'épaisseur de la couche d'oxyde enterrée 62 du premier substrat détermine en partie l'amplitude de débattement de la membrane. La couche d'oxyde constitue les parois latérales d'une cavité d' actionnement qui est ici remplie d'air, c'est-à-dire d'un gaz compressible, ou du vide partiel. La couche superficielle 48 du substrat de support constitue une isolation électrique entre les électrodes, c'est-à-dire entre la membrane 44 et la couche épaisse de silicium 46.
Une étape suivante visible à la figure 8 comprend l'élimination de tout ou partie du substrat sacrificiel de façon à déboucher la cavité 30. Le dispositif est achevé en emplissant la chambre 40 et une partie ou totalité de la cavité 30 d'un liquide ou d'un gel 32 formant le premier fluide optique. Des prises de contact peuvent également être formées sur la membrane et le substrat de support 46 qui constituent les électrodes des moyens de commande électrostatique.
On obtient finalement un actionneur assez proche de celui de la figure 1. Les principales différences tiennent au choix des matériaux et la disposition des parois latérales 42 de la chambre 40.
On décrit à présent, de façon plus sommaire, d'autres modes de mise en œuvre de l'invention.
La figure 9 montre un actionneur optique comprenant une cavité 30 à laquelle sont raccordées deux chambres distinctes 40 et 40a. La chambre 40a a, par exemple, été formée par le scellement d'un capot 70 après remplissage de la cavité. Les chambres sont raccordées à la cavité de part et d'autre des guides optiques 12, 14, formant les voies d'entrée et de sortie.
La première chambre 40 présente une construction très voisine de la chambre 40 de la figure 1. Elle comporte une membrane flexible 44 mue par des moyens de commande électrostatique. La paroi de la chambre peut être rigide ou présenter une certaine souplesse pour permettre de limiter une éventuelle atténuation de mouvement de l'interface 36. Si la paroi de la chambre est souple, on peut utiliser un fluide de ballast 35 compressible ou non. La deuxième chambre 40a, ne présente pas de membrane.
La première chambre contient un premier fluide 31 appelé fluide moteur. Il s'agit, par exemple, d'un liquide incompressible qui ne présente pas nécessairement de propriétés optiques et dont le volume est insuffisant pour atteindre la cavité. Le fluide moteur n' est utilisé que pour transmettre le mouvement de la membrane aux fluides optiques. Les fluides optiques sont repérés avec les références 32 et 34.
Le premier fluide optique 32 s'étend depuis la cavité 30 où il est en contact avec le deuxième fluide optique 34, jusque dans la première chambre 40. Le deuxième fluide optique 34 s'étend en partie dans la deuxième chambre 40a. La chambre 40a est par ailleurs comblée d'un fluide de ballast 35, par exemple de l'air ou un autre gaz compressible, pour compenser les modifications de volume de la première chambre 40. A titre d'exemple, comme fluide moteur, on peut choisir de l'eau, une huile, un alcool, un liquide diélectrique, un fluide magnétique, etc.. Comme fluide optique on peut prendre les mêmes que précédemment, ainsi que de l'air atmosphérique, ou sous vide partiel.
Dans certains cas, on peut aussi choisir les fluides identiques. L' actionneur optique, de la figure 9 présente l'avantage d'être complètement étanche au milieu extérieur et donc d'être peu influençable.
La figure 10 illustre un autre exemple de réalisation d'un actionneur conforme à l'invention. Celui-ci comprend deux chambres 40 et 41 comprenant chacune une membrane flexible 44, 45 mue par un moteur électrostatique du type déjà décrit. Une couche de support conductrice 46 constitue une électrode fixe commune dans cet exemple au deux moteurs. Les chambres, qui contiennent chacune un fluide optique, sont reliées entre elles par un canal qui forme une cavité 30 au sens de l'invention. L'un des guides optiques est représenté de façon simplifié avec la référence 14. Il débouche dans la cavité dans une zone dans laquelle l'interface 36 entre les fluides optiques peut se déplacer sous l'effet de la déformation des membranes. Le déplacement de l'interface permet de mettre l'extrémité du guide optique en contact tantôt avec tout ou partie de l'un des fluides optiques tantôt avec tout ou partie de l'autre, dans cet exemple, l'interface 36 est sensiblement perpendiculaire au plan des couches.
Encore une autre possibilité de réalisation de l' actionneur est montrée par la figure 11. Dans l'exemple de cette figure la chambre à volume variable de l' actionneur optique contient une vessie 43 ou est même formée par la vessie 43.
La vessie 43 est raccordée à la cavité 30 et contient pour l'essentiel un fluide optique 32 dont la hauteur dans la cavité peut être changée par modification du volume de la vessie. Les moyens pour modifier le volume de la vessie comportent essentiellement une poutre flexible 80 dont une première extrémité, fixe, est solidaire d'un support 82 et dont une extrémité libre peut venir écraser plus ou moins la vessie lorsque la poutre est sollicitée en flexion vers la vessie. La flexion de la poutre est provoquée par un actionnement extérieur quelconque symbolisé simplement par une flèche. L' actionnement peut par exemple résulter d'un dispositif à piston, d'un moteur électrostatique ou d'un moteur électromagnétique, par exemple. L' actionnement peut se faire également de façon directe sur la vessie, et par des moyens qui ne seraient pas réalisés par les techniques de la micro-électronique (par exemple électro-aimant ou actionneur piézoélectrique) . Sur la figure 11 on peut noter la présence de deux guides optiques 12 et 14 s' étendant selon des directions sensiblement perpendiculaires et débouchant dans la cavité 30.
Un des principaux avantages de l' actionneur optique de la figure 11 consiste en la simplification de la fabrication de la chambre ou plus précisément du réceptacle 84 du fluide optique. En effet, comme la vessie joue le rôle de chambre à volume variable et assure l'étanchéité nécessaire à la conservation du fluide optique, le réceptacle 84 peut être ajouré ou tout au moins présenter une étanchéité imparfaite.
Pour éviter une surcharge des figures, celles- ci ne représentent pas d'échappements. Des échappements peuvent toutefois être réalisés par des ouvertures de dimensions telles qu'elles permettent un échappement sélectif de fluide pour éviter un amortissement du mouvement de l'interface.
La sélectivité peut être en particulier réalisée par les dimensions des échappements, des traitements de surface et/ou des choix de matériaux assurant des effets appropriés de capillarité.
De même, on n'a pas représenté les trous de remplissage des fluides ainsi que les bouchons de fermeture de ces trous. On décrit à présent différentes variantes de réalisation d' actionneurs conformes à l'invention. La figure 12 montre un actionneur dont la structure est proche de celle de l' actionneur déjà décrit en référence à la figure 1. L' actionneur est formé par l'assemblage d'un premier substrat conforme au substrat décrit en référence à la figure 3, et d'un deuxième substrat sur lequel sont formés les guides optiques 12,14. Après gravure de la chambre 40, dans une couche d'oxyde de silicium 142, les premier et deuxième substrats sont assembles en alignant la cavité 30 avec la chambre 40.
Une ouverture 50 est ensuite pratiquée dans la parie massive du substrat comprenant la couche épaisse 46 de silicium. L'ouverture 50 traverse la couche 46 de part en part jusqu'à atteindre la couche d'oxyde de silicium en terrée 62. Une attaque chimique sélective, pratiquée à travers l'ouverture 50, permet ensuite de graver en partie la couche enterrée d'oxyde de silicium pour libérer la couche mince 144 sur sa face arrière et ainsi former la membrane 44. La membrane 44 et la couche épaisse 46 du substrat, en silicium, forment respectivement les électrodes de moyens électrostatiques d' actionnement de la membrane
L' actionneur optique de la figure 13 est actionneur à deux chambres 40 et 41, comparable à 1' actionneur de la figure 10. Il comporte également un substrat de type SOI avec une couche « superficielle » 144, séparée d'une partie massive par une couche enterrée 162 isolante. La couche 144, qui est, par exemple, une couche de silicium, est utilisée pour la formation des membranes 44 et 45. Les chambres 40 et 41, de même que le canal 30, sont pratiqués dans une même couche de matériau qui est repérée avec la référence 42 par analogie avec les figures précédentes. La référence 36 désigne l'interface entre les fluides optiques . Les références 52 et 54 indiquent des canaux de remplissage des chambres traversant un substrat 46. Ceux-ci sont prévus pour emplir les chambres avec les fluides optiques après l'assemblage des substrats. Les canaux 52 et 54 sont obturés par des bouchons 70. Enfin, le guides optiques sont indiqués très sommairement en trait discontinu.
La figure 14 qui est une coupe XIV-XIV de la figure 13, permet de mieux constater la disposition des guides optique d'entrée et de sortie. On observe que le dispositif est pourvu de deux vois optiques d'entrée 12a et 12b ainsi que de deux voies optiques de sortie 14a et 14b.
La figure 15 montre un dispositif particulier incluant dans un même substrat deux actionneurs optiques conformes à l'invention. Les deux actionneurs présentent chacun une chambre 40, 40a, pourvue respectivement d'une membrane flexible 44, 44a. Tout comme pour les dispositifs des figures précédentes les membranes constituent également des électrodes coopérant avec la couche épaisse 46 du substrat utilisée comme contre électrode. Une tranchée 51 pratiquée dans le substrat s'étend de part en part de la couche 46 et est emplie d'un matériau isolant électrique 53. La tranchée et le matériau isolant sont prévus pour isoler deux parties de la couche épaisse 46, qui forment respectivement des contre électrodes pour les membranes des deux actionneurs optiques. Des prises de contact 56a et 56b sont formés sur une face arrière de la couche épaisse 46 et sont séparées par une couche d'isolant électrique. La face arrière est ici la face tournée à l'opposé des chambres 40 et 40a.
Un substrat de commande indiqué en trait discontinu peut être reporté sur la face présentant les prises de contact 56a et 56b. Le substrat de commande présente, par exemple, des corniches coïncidant avec les prises de contact et peut comporter un circuit d' adressage matriciel et de commande des prises de contact. Ce circuit n'est pas représenté pour des raisons de clarté.
La figure 16 montre un micro-actionneur constituant une variante du micro-actionneur décrit en référence à la figure 9. Elle montre un perfectionnement visant à compenser les effets d'une fluctuation de la température à laquelle le dispositif risque d' être soumis . De façon plus précise, le perfectionnement vise à compenser les effets d'une dilatation d'un fluide et en particulier du fluide de ballast 35 contenu dans la deuxième chambre 40a. Ce fluide peut, notamment s'il s'agit d'un gaz, avoir une sensibilité à la température, et provoquer éventuellement une commutation intempestive, lorsque le seuil de commutation est faible.
Le micro-actionneur de la figure 16 comprend à cet effet un canal d'évent 49 qui relie la deuxième chambre 40a à la chambre 47 située sur un côté de la membrane 44 opposée à la cavité 30. La chambre 47 est délimitée en partie par la membrane 44, ou, éventuellement, par les électrodes d' actionnement de la membrane .
Ainsi, la dilatation de l'un des fluides, ou tout au moins du fluide de ballast, provoque une pression non seulement sur un côté du fluide contenu dans la cavité 30 mais aussi sur la membrane.
Il en résulte une meilleure insensibilité du dispositif à la température. Le canal d'évent peut être gravé à travers les différentes couches de l'empilement.
Il convient de préciser que le plan de coupe de la figure 16 forme un angle avec le plan de coupe de la figure 9, de sorte que les voies optiques ne sont pas visibles sur la figure 16. L'extrémité des voies optiques débouchent dans la cavité 30 mais ne sont pas représentées pour des raisons de clarté de la figure.
Une insensibilité à la température peut aussi être obtenue, par exemple, en emprisonnant un même fluide à la même pression dans les chambres 40a et 47 de part et d'autre de la cavité 30. Dans ce cas, la présence d'un canal d'évent est superflue. Il est enfin possible de thermostater l'ensemble du dispositif. Ces solutions s'avèrent cependant plus difficiles à mettre en œuvre.
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Claims

REVENDICATIONS
1. Micro-actionneur optique comportant une cavité (30) ménagée entre au moins une voie optique d'entrée (12, 12a, 12b) et au moins une voie optique de sortie (14, 14a, 14b), la cavité étant apte à contenir au moins un premier et un deuxième fluides optiques (32, 33, 34, 35), avec au moins une propriété optique différente, et des moyens pour modifier la position d'une interface entre les premier et deuxième fluides optiques par rapport aux voies optiques, dans lequel les moyens pour modifier la position de l'interface comportent au moins une chambre (40, 41, 43), contenant au moins un fluide, en relation fluidique avec la cavité (30) , et caractérisé en outre par des moyens à commande électrostatique (44, 46, 80) pour modifier le volume de la chambre.
2. Micro-actionneur optique selon la revendication 1, dans lequel les moyens pour modifier le volume de la chambre comportent une membrane déformable (44, 45) formant une paroi de la chambre.
3. Micro-actionneur selon la revendication 2, comprenant une première électrode solidaire de la membrane déformable (44) et une deuxième électrode solidaire d'un support rigide (46), disposée en face de la première électrode.
4. Micro-actionneur selon la revendication, 2 dans lequel la membrane (44) présente une surface libre dont l'aire est supérieure à une section de la cavité.
5. Micro-actionneur selon la revendication 1 dans lequel la chambre présente au moins une paroi souple et contient au moins un fluide (31, 32) sensiblement incompressible.
6. Micro-actionneur selon la revendication 1, dans lequel la chambre présente des parois rigides et contient au moins un fluide compressible.
7. Micro-actionneur selon la revendication 1, comprenant une pluralité N de voies optiques d'entrée (12a, 12b) et une pluralité M de voies optiques de sortie (14a, 14b) , dans lequel chaque voie optique d'entrée peut être connectée sélectivement à l'une au moins des voies optiques de sortie par l'intermédiaire de la cavité.
8. Micro-actionneur selon la revendication 1 comprenant au moins un premier guide optique formant au moins une voie d' entrée et au moins un deuxième guide optique formant au moins une voie de sortie.
9. Micro-actionneur selon la revendication 1 dans lequel la chambre contient au moins un fluide choisi parmi le premier et le deuxième fluides optiques (32, 34) et/ou au moins un fluide moteur (31) en contact direct ou non avec au moins l'un des premier et deuxième fluides optiques
10. Micro-actionneur selon la revendication 1, dans lequel la chambre comprend une vessie (43) contenant au moins l'un parmi un fluide moteur et un fluide optique, et les moyens pour modifier le volume de la chambre comportent des moyens (80) pour écraser la vessie.
11. Micro-actionneur selon la revendication 1 comportant au moins une première chambre (40) en relation fluidique avec la cavité (30) et au moins une deuxième chambre (40a, 41) en relation fluidique avec la cavité et dans lequel les moyens pour modifier le volume de la chambre comprennent au moins une membrane (44, 45) déformable formant une paroi d'au moins une chambre.
12. Micro-actionneur selon la revendication 11, comprenant un canal d'évent (49) reliant la deuxième chambre (40a) en relation fluidique avec la cavité à une chambre (47) située sur un côté de la membrane ( 44 ) opposée à la cavité (30) .
13. Micro-actionneur selon la revendication 11, dans lequel chaque chambre comporte une membrane déformable (44, 45) mue par un moteur électrostatique.
14. Brasseur optique comprenant une pluralité de micro-actionneurs optiques conformes à la revendication 1.
15. Utilisation d'un micro-actionneur selon la revendication 1, dans un composant choisi parmi les relais optiques, les extincteurs optiques, les commutateurs optiques et les atténuateurs optiques .
16. Procédé de réalisation d'un micro- actionneur optique comprenant les étapes suivantes :
- la formation d'une chambre à fluide (40) sur un premier substrat (60) comprenant une première électrode (144),
- la formation d'au moins une voie optique (12, 14) sur un second substrat (64) et la gravure d'une cavité (30) séparant deux parties de la voie optique, - l'assemblage du premier substrat (60) et du second substrat (64) en faisant coïncider la cavité et la chambre,
- la libération d'une partie du premier substrat, par une face arrière, pour former une membrane (44) et mettre à nu la première électrode,
- le report sur le premier substrat d'un troisième substrat (46, 48) , comprenant une deuxième électrode (46) , le troisième substrat étant reporté sur le premier substrat par l'intermédiaire de cales (62) autorisant un débattement de la membrane (44).
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel on utilise un premier substrat comportant une partie massive de silicium (60) et, sur cette partie massive, un empilement comprenant une couche (62) isolante électrique et une couche non-isolante (144), dans lequel :
- on forme la chambre à fluide dans une couche de matériau (42) recouvrant ledit empilement et, - lors de la libération de la membrane on élimine la partie massive du premier substrat et on conserve, comme membrane, au moins une couche de l'empilement de couches, la couche non-isolante de l'empilement formant une électrode solidaire de la membrane.
18. Procédé selon la revendication 16, dans lequel on forme une chambre (40) ouverte dans une couche de matériau (42) du premier substrat et on ferme ladite chambre lors de l'assemblage du premier et du second substrats.
19. procédé de réalisation d'un micro- actionneur dans une structure formée d'un empilement de couches, comprenant les étapes suivantes : - la formation d'au moins une chambre à fluide dans la structure, une partie arrière de la chambre comprenant une première électrode, la libération de la partie de la partie arrière de la chambre ainsi formée pour réaliser une membrane et mettre à nu la première électrode, la formation d'au moins une voie optique dans la structure et réalisation d'une cavité séparant au moins deux parties de la voie optique, la cavité coïncidant avec la chambre, la formation d'une deuxième électrode en regard de la première, cette deuxième électrode autorisant un débattement de la membrane.
20. Procédé de réalisation du micro-actionneur optique, comprenant les étapes suivantes : la formation d'au moins une chambre à fluide dans un premier substrat avec une première couche comportant la première électrode et une deuxième couche comportant la deuxième électrode, ces deux électrodes étant séparées par une couche isolante, la formation d'au moins ladite voie optique dans ou sur un second substrat et la gravure d'une cavité séparant au moins deux parties de la voie optique, - l'assemblage du premier substrat et du second substrat en faisant coïncider la cavité avec la chambre, la libération d'une partie de la première couche comportant la première électrode pour former une membrane, par gravure à partir de la face arrière du premier substrat d'une partie de la couche isolante.
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