Deep reactive ion etching (DRIE) of silicon can be used to fabricate vertical (i.e. in-plane) silicon-air multilayer mirrors. In comparison with out-of-plane reflectors fabricated by thin film deposition, in-plane multilayer assemblies can be monolithically integrated with a variety of useful structures such as passive optical fiber alignment grooves, microfluidic systems, waveguides, and microelectromechanical (MEMS) actuators. However, all previously reported devices suffered from high insertion losses (> 10 dB) which translated, in most cases, in weak light confinement abilities (e.g. low finesses in the case of Fabry-Perot cavities). The first objective of this work is therefore to investigate the sources of loss and the technological limitations that affect interferometers based on deep-etched multilayer reflectors. Theoretical models for the prediction of losses—due to Gaussian beam divergence, surface roughness at silicon-air material interfaces, imperfect verticality of the etch profiles, and misalignment between input and output coupling optical fibers—are provided. Of these four loss mechanisms, the first three are demonstrated to be generally significant. For the devices presented in the current thesis, however, verticality deviation of the etch profiles (etch angle error ~ 0.04°) is found to be negligible compared with the measured contributions of surface roughness (30 nm RMS) and Gaussian beam divergence. The fourth loss mechanism (fiber misalignment) is found to be essentially negligible in all cases. These theoretical models are demonstrated to correspond remarkably well with our experimental results, such that we are able to state clear boundaries on the possibilities and limitations of interferometers based on deep-etched silicon-air multilayer reflectors. Within these boundaries, three new devices—with potential applications in biomedical sensing, chemical sensing, and optical fiber telecommunications—are investigated.

Firstly, a deep-etched Fabry-Perot interferometer is monolithically integrated with a silicon microfluidic system and is used to measure the refractive index of homogenous liquids. The refractive index sensitivity of this interferometer (907 nm/RIU) is found to be considerably high and, interestingly, to be independent of insertion losses. A refractive index resolution among the highest reported, for volumetric sensing in microfluidic systems, is consequently achieved (1.7×10⁻⁵ RIU), even if high insertion losses (~ 25 dB) and low resonance finesse (<​ 10) affect the interferometer. This sensor performs measurements in volumes (~ pL) similar to those of single living cells, and allows great flexibility in the design of monolithically integrated microfluidic systems. One of its main expected applications is consequently in-flow characterization of cell populations on-chip.

Secondly, Fabry-Perot interferometers, similar to those used as refractive index sensors, are functionalized with polydimethylsiloxane (PDMS) based polymers and are used to detect two different volatile organic compounds (VOCs), i.e. m-xylene and cyclohexane. In this case, mechanical deformation of the interferometers, induced by polymer swelling upon VOCs absorption, is found to be the main sensing mechanism. Refractive index variations inside the polymers also contribute to the sensitivity, but more modestly, yielding a 10 times lower sensitivity than mechanical deformations. A 1.6 ppm resolution is reached when detecting mxylene vapor using phenyl-doped PDMS as the absorbent polymer. This limit of detection is similar to what was achieved with other micromechanical sensors that currently find applications in artificial olfaction systems. Our proposed sensor—being mass producible, simple to fabricate (two conventional photolithography steps), and simple to package (integrated optical alignment features)—could therefore potentially compete with these technologies. One of its main competitive advantages would be passive remote interrogation using only conventional optical fibers, while other technologies usually require on-site electrical power supply for each sensor

Finally, Gires-Tournois interferometers (GTIs) are, for the first time, implemented in an in-plane waveguided configuration. These interferometers reach insertion losses below 2 dB at off-resonance wavelengths, which is significantly better, for example, than the typical insertion losses achieved with deep-etched Fabry-Perot filters (>​ 10 dB). At resonance wavelengths, however, insertion losses remain high (10 - 15 dB) due to a still too strong interaction of light with surface roughness in the cavity back mirror. The proposed Gires-Tournois could therefore find applications in optical fiber telecommunications but only in devices, such as Michelson-GTI interleavers, that exploit primarily the off-resonance part of the GTI spectra. In this particular case, the proposed in-plane configuration could be advantageous compared with out-of-plane designs. For example, in-plane implementation allows interferometer lengths greater than 800 µm, which are required for free spectral ranges that match the 25 or 50 GHz channel spacing of dense wavelength multiplexed (DWDM) networks. Such lengths are not typically achievable using out-of-plane devices that are limited by their silicon substrate thickness (~ 500 - 600 µm). Calculations show that Michelson-GTI interleavers based on the reported GTIs could yield insertion losses below 2 dB and channel isolation in the order of 20 dB.

Les technologies de gravure profonde de silicium par plasma peuvent être utilisées pour la fabrication de miroirs verticaux à alternance de couches de silicium et d'air. Comparativement aux miroirs hors-plan fabriquées par déposition de couches minces, ces miroirs verticaux peuvent être intégrés, de façon simple et monolithique, à une importante variété de dispositifs tels que des tranchées pour l'alignement passif de fibres optiques, des systèmes microfluidiques, des guides d'ondes et des microsystèmes d'actionnement électromécaniques (MEMS). Par contre, tous les dispositifs rapportés à ce jour se sont montrés affectés par d'importantes pertes d'insertion (> 10 dB) lesquelles se sont traduites, dans la majorité des cas, par de faibles capacités de confinement de la lumière (ex:​ faibles finesses dans le cas d'interféromètres Fabry-Pérot). Le premier objectif de ce travail est donc d'identifier les sources de pertes et les limites technologiques affectant les interféromètres à miroirs multicouches verticaux. Des modèles théoriques permettant la prédiction de pertes—dues à la divergence angulaire du faisceau Gaussien incident, à la rugosité de surface aux interfaces silicium-air, à la verticalité imparfaite des profils de gravure et aux erreurs d'alignement entre les fibres optiques de couplage—sont fournis. Il est démontré que les trois premières de ces quatre sources de pertes sont généralement significatives. Par contre, pour ce qui est des dispositifs présentés dans cette thèse, il est démontré que l'erreur sur la verticalité des profils de gravures (~ 0.04°) est négligeable comparativement aux pertes causées par la rugosité de surface (30 nm RMS) et par la divergence du faisceau Gaussien incident. Il est finalement démontré que la quatrième source de perte (erreur d'alignement entre fibres optiques) peut être négligée dans pratiquement tous les cas. Puisque ces modèles correspondent remarquablement bien à nos résultats expérimentaux, nous sommes en mesure d'établir des limites claires quant aux possibilités des interféromètres à multicouches silicium-air fabriqués par gravure profonde. À l'intérieur de ces limites, trois nouveaux dispositifs—pour des applications potentielles comme capteurs biomédicaux, capteurs chimiques ou comme composants pour réseaux de télécommunication par fibre optique—sont proposés.

Premièrement, un interféromètre Fabry-Pérot est intégré à un réseau microfluidique de silicium et est utilisé pour mesurer l'indice de réfraction de liquides. La sensibilité à l'indice de réfraction obtenue (907 nm/RIU) est considérablement élevée et, fait important, est indépendante des pertes d'insertion subies à l'intérieur de l'interféromètre. Une résolution parmi les plus élevées rapportées à ce jour (pour une mesure volumétrique d'indice à l'intérieur d'un réseau microfluidique) est conséquemment obtenue (1.7×10⁻⁵ RIU), malgré des pertes d'insertion élevées (~ 25 dB) et une faible finesse (<​ 10). Le volume de mesure de ce capteur (~ pL) est similaire à celui de cellules vivantes individuelles. Puisque ce capteur permet également une grande flexibilité lors de la conception du système microfluidique intégré, une de ses applications principales attendues est la caractérisation de cellules individuelles en flux, sur puce.

Deuxièmement, des interféromètres de Fabry-Pérot, similaires à ceux utilisés comme capteurs d'indice de réfraction, sont fonctionnalisés par des polymères à base de PDMS (polydiméthylsiloxane) et sont utilisés comme détecteurs de composés organiques volatiles (VOCs). Dans ce cas, suite à l'absorption de VOCs, les polymères se dilatent et déforment l'interféromètre, ce qui constitue le mécanisme de détection principal. Des variations d'indice de réfraction à l'intérieur des polymères, suite à l'absorption de VOCs, contribuent également à la sensibilité mais à une échelle beaucoup moins importante (10 fois moindre que la réponse due aux déformations mécaniques). Une limite de détection de 1.6 ppm est atteinte lors de la détection de méta-xylène en phase gazeuse à l'aide d'un interféromètre fonctionnalisé par un polymère de phényle-PDMS. Cette limite de détection est similaire à celles atteintes à l'aide d'autres capteurs micromécaniques utilisés au sein de systèmes commerciaux d'olfaction artificielle. Notre capteur—étant compatible avec une éventuelle production de masse, simple à fabriquer (deux étapes de photolithographie conventionnelles), et simple à encapsuler (tranchées d'alignement passif pour fibres optiques)—pourrait donc potentiellement rivaliser avec ces technologies. Un de ses principaux avantages compétitifs serait la possibilité d'interroger notre capteur à distance uniquement par fibre optique, alors que la majorité des autres technologies requièrent une alimentation électrique locale pour chaque capteur.

Finalement, des interféromètres de Gires-Tournois (GTIs) ont été, pour la première fois, intégrés à un guide d'onde dans une configuration planaire sur puce. Ces interféromètres présentent des pertes d'insertion inférieure à 2 dB aux longueurs d'ondes hors résonance, ce qui constitue une amélioration considérable par rapport aux pertes d'insertion typiques des interféromètres de Fabry-Pérot fabriqués par gravure verticale (>​ 10 dB). Aux longueurs d'ondes de résonance, par contre, les pertes d'insertion demeurent élevées (10 - 15 dB). Ces pertes sont causées par une interaction toujours trop importante de la lumière avec la rugosité de surface affectant les miroirs multicouches. Les interféromètres proposés pourraient conséquemment être utilisés au sein de réseaux de télécommunication par fibre optique, mais seulement à l'intérieur de dispositifs, tels que les entrelaceurs ("interleavers") Michelson-GTI, exploitant principalement la partie hors résonance de leur spectre. Dans ce cas particulier, la configuration planaire des dispositifs proposés pourrait s'avérer utile comparativement aux précédents dispositifs hors plan sur puce. Par exemple, cette configuration planaire permet la conception d'interféromètres de longueur supérieure à 800 µm. De telles longueurs sont nécessaires à l'obtention d'intervalles spectrales libres (FSR) correspondant aux espacements intercanaux de 25 et 50 GHz des réseaux de télécommunications optiques multiplexés en longueur d'onde (DWDM). Les dispositifs hors plan sur puce sont généralement limités par l'épaisseur du substrat de silicium (500 - 600 µm) et ne permettent donc pas de longueurs supérieures à 800 µm. Des calculs démontrent que des entrelaceurs de Michelson-GTI basés sur les dispositifs rapportés pourraient permettre des pertes d'insertion inférieures à 2 dB et une isolation intercanal de l'ordre de 20 dB.