Ces travaux de thèse portent sur la conception et la réalisation d'un nouveau type de MOEMS (Micro-Optical-Electrical-Mechanical System) pour le contrôle actif du faisceau laser émis par des matrices de VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers). Afin d'améliorer l'intégration de ces diodes lasers dans les systèmes de communication et de détection optiques (instrumentation, biomédical), nous avons en effet conçu et réalisé un microsystème à base de polymères compatible avec une intégration monolithique sur VCSELs. Il est composé d'une microlentille réfractive associée à une membrane suspendue, dont le déplacement vertical permet de modifier dynamiquement la distance microlentillesource. La géométrie du MOEMS a été optimisée à l'aide de simulations optiques pour la propagation du faisceau gaussien et thermo-mécaniques pour l'actionnement de la membrane. Nous avons développé l'ensemble des briques technologiques pour la fabrication collective de ce dispositif sur VCSELs. En particulier, plusieurs voies ont été évaluées pour assurer l'alignement optimal de la microlentille avec la source laser. L'étude du vieillissement de la résine SU-8 exploitée pour ces études a été également menée. Enfin, la caractérisation des microsystèmes réalisés a conduit à l'obtention de déplacements mécaniques de 8 μm pour 3V appliqués, correspondant à une modification de la position du plan de focalisation de la lentille de 20μm, ce qui valide nos modélisations et démontre l'intérêt de l'approche proposée.

Les travaux de recherches présentés dans ce mémoire ont débuté en 1992 au sein du groupe "Photonique" du LAAS-CNRS. Ils s'inscrivent dans le cadre général des recherches menées par l'équipe animée par F. Lozes-Dupuy, Directrice de Recherches au CNRS. Après une étude approfondie des diodes laser DBR (Distributed Bragg Reflector) monofréquences à émission surfacique, l'étude de ce type d'émetteurs a été poursuivie en recherchant le contrôle et l'optimisation de leurs performances par l'adjonction d'une cavité optique étendue hybridée. Ces travaux ont conduit à élargir le domaine de recherches à celui des microsystèmes et aux technologies associées en vue de proposer une microsource laser stabilisée en fréquence. L'orientation «microsystème» des activités a ensuite été renforcée par des travaux de collaboration sur les microsystèmes optiques et, plus spécifiquement, sur le verrou que constitue l'intégration photonique dans les microsystèmes. Dans une première approche, en mettant à profit les acquis de la technologie conventionnelle de type CMOS, les travaux ont concerné l'étude de nouveaux concepts d'intégration sur silicium. Ces travaux se sont appuyés sur un objet d'étude constitué par un capteur optique de déplacement et ont montré que la microélectronique, l'optoélectronique et l'optique intégrée pouvaient être associées sur silicium pour proposer des fonctions optiques "intelligentes" à partir d'une technologie compatible CMOS. Une deuxième approche d'intégration photonique a ensuite été explorée pour tirer profit des propriétés des cristaux photoniques dans la perspective du développement de nouveaux types de diodes laser compatibles avec une intégration photonique planaire dense.

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la réalisation et d'une nouvelle génération de MOEMS (Micro-Optical-Electrical-Mechanical System) pour le contrôle actif du faisceau laser émis par des matrices de VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers). Le microsystème à base de polymères que nous avons conçu est compatible avec une intégration monolithique en post-processing. Il est composé d'une membrane suspendue associée à une microlentille réfractive. Le plan de focalisation est contrôlé dynamiquement grâce au déplacement vertical de la membrane grâce à un actionnement électrothermique. La géométrie du MOEMS a été optimisée à l'aide notamment de simulations électro-thermo-mécaniques pour minimiser l'énergie de commande et fiabiliser les dispositifs. Nous avons ensuite développé l'ensemble des briques technologiques pour la fabrication collective de ce dispositif sur des matrices de VCSELs. En particulier, une technique originale de transfert thermique doux de films secs photosensibles épais a été mise au point au moyen d'un équipement de nano-impression, pour permettre un dépôt uniforme et précis sur des substrats fragiles ou de faible taille. En outre, nous avons développé un procédé simple et totalement planaire pour la fabrication du MOEMS et optimisé un procédé de dépôt par jets d'encre pour l'intégration finale des microlentilles, avec la possibilité de choisir la distance focale la plus adaptée à la fin du process. La caractérisation des microsystèmes que nous avons réalisés a conduit à l'obtention de déplacements mécaniques de 8µm pour seulement 12.5mW appliqués, ce qui constitue une validation de nos résultats de modélisation. Enfin, des premiers résultats de focalisation dynamique du faisceau VCSELs sont présentés. / This thesis deals with the study and the fabrication of a novel type of polymer MOEMS (Micro Optical Electrical Mechanical Systems) to achieve passive or active beam shaping of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs). To improve the photonic integration of these compact laser sources in optical communication and detection systems (sensors, biomedical analysis), we designed a polymer-based optical microsystem that is suitable with a post-processing integration on VCSELs. Its operation principle is based on the out-of-plane displacement of a suspended SU-8 membrane including a polymer refractive microlens at its surface. Thanks to electro-thermal actuation, the vertical displacement of the membrane allows to dynamically modify the microlens-source distance and leads to a vertical shift of the laser beam waist position. MOEMS actuation power and reliability were optimized owing to a comprehensive tri-dimensional thermo-electro-mechanical model that takes into account SU-8 material properties and precise geometry of the device. Technological steps necessary for the collective fabrication of such MOEMS on VCSELs arrays were also developed. In particular, we report on a new photoresist film transfer method we developed to achieve a highly uniform fabrication of high aspect ratio MOEMS on small-sized or fragile samples such as GaAs-based VCSELs wafers. This method that we call "soft thermal printing" is based on the use of a thermal nano-imprint set-up. Moreover, a simple and planar process for MOEMS fabrication was successfully tested. A dedicated inkjet printing process for drop-on-demand deposition of the microlens on the membrane center was also developed. Finally, the fabricated MOEMS were characterized. A vertical displacement as high as 8µm was observed for only 12.5mW applied, in good agreement with our 3D modeling results and first results on 850nm VCSEL dynamic beam focusing were obtained, demonstrating the interest of our approach.