FR2792734A1 - Integrated photonic circuit for optical telecommunications and networks, has substrate mounted light guide and optical receiver-transmitter vertically disposed with intermediate vertical light guide coupler - Google Patents

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Christian Luc Seassal
Pierre Viktorovitch
Xavier Letartre
Guy Hollinger
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Abstract

Integrated photon circuit has a substrate with a light guide section (4) integrated on. A resonant optical component (2) detecting or receiving light is mounted on top of the light guide and an intermediate coupling circuit (12) couples light vertically from the optical component to the light guide.

Description

CIRCUIT PHOTONIQUE INTEGRE COMPRENANT UN COMPOSANTINTEGRATED PHOTONIC CIRCUIT COMPRISING A COMPONENT

OPTIQUE RESONANT ET PROCEDÉS DE FABRICATION DE CE  RESONANT OPTICS AND METHODS OF MAKING SAME

CIRCUITCIRCUIT

DESCRIPTIONDESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA

La présente invention concerne les circuits  The present invention relates to circuits

photoniques intégrés.integrated photonics.

Elle s'applique notamment aux systèmes intégrés de télécommunications optiques et  It applies in particular to integrated optical telecommunications systems and

d'interconnexions optiques.optical interconnections.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURESTATE OF THE PRIOR ART

Il est connu de coupler optiquement, par l'intermédiaire d'un miroir par exemple, un guide de lumière formé sur un substrat, à un laser de type VCSEL  It is known to optically couple, by means of a mirror for example, a light guide formed on a substrate, to a laser of the VCSEL type.

hybridé à ce substrat.hybridized to this substrate.

EXPOSE DE L'INVENTIONSTATEMENT OF THE INVENTION

La présente invention a pour objet un circuit photonique intégré dans lequel un composant optique résonant, par exemple un émetteur laser, est optiquement couplé à un guide de lumière formé sur un substrat, avec un rendement de couplage supérieur à celui du couplage mentionné ci-dessus, entre le laser  The present invention relates to an integrated photonic circuit in which a resonant optical component, for example a laser emitter, is optically coupled to a light guide formed on a substrate, with a coupling efficiency greater than that of the coupling mentioned above. , between the laser

de type VCSEL et le guide de lumière.  type VCSEL and the light guide.

De façon précise, la présente invention a pour objet un circuit photonique intégré formé sur un substrat et comprenant au moins un guide de lumière intégré à ce substrat, ce circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un composant optique résonant qui est intégré au substrat et destiné à émettre ou détecter de la lumière ou les deux, ce composant optique résonant étant placé au-dessus d'une partie du guide de lumière, et un moyen de couplage optique vertical entre le composant optique résonant et cette partie du guide de lumière, cette dernière étant prévue pour assurer le transfert de lumière entre le composant optique résonant et le reste du guide de lumière par l'intermédiaire du moyen de couplage  Specifically, the subject of the present invention is an integrated photonic circuit formed on a substrate and comprising at least one light guide integrated into this substrate, this circuit being characterized in that it further comprises at least one resonant optical component which is integrated into the substrate and intended to emit or detect light or both, this resonant optical component being placed above a part of the light guide, and means for vertical optical coupling between the resonant optical component and this part of the light guide, the latter being provided to ensure the transfer of light between the resonant optical component and the rest of the light guide by means of the coupling means

optique vertical.vertical optics.

Il convient de noter que le couplage vertical utilisé dans la présente invention autorise un réglage précis du couplage, alors qu'un couplage latéral classique est beaucoup plus délicat à mettre en  It should be noted that the vertical coupling used in the present invention allows precise adjustment of the coupling, while a conventional lateral coupling is much more difficult to set up.

oeuvre du point de vue technique.technical work.

Selon un mode de réalisation préféré du circuit photonique intégré objet de l'invention, le moyen de couplage optique vertical comprend une couche d'un matériau qui est transparent à la lumière et dont l'indice optique est inférieur à celui du guide de lumière ainsi qu'à celui du matériau du composant  According to a preferred embodiment of the integrated photonic circuit object of the invention, the vertical optical coupling means comprises a layer of a material which is transparent to light and whose optical index is lower than that of the light guide thus than the material of the component

optique résonant.resonant optics.

De préférence, le guide de lumière est en silicium. L'invention permet de coupler efficacement un composant optique résonant à un guide de lumière en silicium dont la faible section transversale, bien qu'elle soit compatible avec les dimensions requises par la microélectronique sur silicium, ne permet pas, lorsqu'on utilise une méthode de couplage classique, un  Preferably, the light guide is made of silicon. The invention makes it possible to efficiently couple a resonant optical component to a silicon light guide whose small cross section, although it is compatible with the dimensions required by microelectronics on silicon, does not allow, when a method is used classic coupling, a

rendement d'insertion suffisant de la lumière.  sufficient light insertion efficiency.

Avec ce guide de lumière en silicium, on utilise de préférence, en tant que substrat, une structure de type silicium sur isolant ou structure SOI  With this silicon light guide, use is preferably made, as a substrate, of a structure of silicon on insulator type or SOI structure.

(pour " Silicon On Insulator ").(for "Silicon On Insulator").

La possibilité de ce couplage optique entre le composant optique résonant et le guide de lumière en silicium permet l'intégration de ce composant avec d'autres composants électro-optiques et avec des dispositifs micro-photoniques passifs qui sont réalisables sur des structures de type silicium sur isolant. De telles structures sont quasiment les seules à permettre la réalisation de circuits photoniques passifs ayant des dimensions compatibles avec la microélectronique. Il convient en effet de noter que l'on obtient un fort confinement de la lumière dans les guides en silicium en raison du fort contraste d'indice entre le silicium et l'isolant  The possibility of this optical coupling between the resonant optical component and the silicon light guide allows the integration of this component with other electro-optical components and with passive micro-photonic devices which are achievable on silicon type structures. on insulator. Such structures are almost the only ones to allow the production of passive photonic circuits having dimensions compatible with microelectronics. It should indeed be noted that a strong confinement of the light in the silicon guides is obtained due to the high index contrast between the silicon and the insulator

constitué par de la silice.consisting of silica.

De préférence, le moyen de couplage optique vertical comprend une couche de silice. Une telle couche est bien adaptée à l'utilisation d'un guide de lumière en silicium et d'un substrat ayant une  Preferably, the vertical optical coupling means comprises a layer of silica. Such a layer is well suited to the use of a silicon light guide and of a substrate having a

structure de type silicium sur isolant.  silicon on insulator type structure.

De préférence, le composant optique  Preferably, the optical component

résonant comprend un microrésonateur.  resonant includes a microresonator.

Il convient de noter que l'utilisation d'un émetteur laser comprenant un microrésonateur ou microcavité résonante (résonateur ou cavité résonante dont les dimensions sont de l'ordre de quelques micromètres) permet, en confinant les photons produits, de favoriser le taux d'émission spontanée dans le mode désiré et donc d'abaisser le seuil d'émission stimulée de l'émetteur laser. Il convient aussi de noter qu'un tel émetteur laser est compatible avec les exigences de  It should be noted that the use of a laser transmitter comprising a microresonator or resonant microcavity (resonator or resonant cavity whose dimensions are of the order of a few micrometers) makes it possible, by confining the photons produced, to promote the rate of spontaneous emission in the desired mode and therefore lower the stimulated emission threshold of the laser transmitter. It should also be noted that such a laser transmitter is compatible with the requirements of

taille de l'intégration photonique sur silicium.  size of photonic integration on silicon.

De préférence, on fait en sorte que la densité d'états photoniques du mode laser soit renforcée afin que les photons soient astreints à  Preferably, it is made so that the density of photonic states of the laser mode is reinforced so that the photons are constrained to

occuper ce mode.occupy this mode.

On rappelle que ce renforcement sélectif du taux d'émission spontanée dépend du rapport Q/V o Q est le facteur de qualité de la cavité et V le volume du mode associé. Si le facteur de qualité de la microcavité est suffisant, cela permet alors de transférer un fort pourcentage (quelques dizaines de %)  It will be recalled that this selective reinforcement of the spontaneous emission rate depends on the ratio Q / V o Q is the quality factor of the cavity and V the volume of the associated mode. If the quality factor of the microcavity is sufficient, this makes it possible to transfer a large percentage (a few tens of%)

de l'émission spontanée dans le mode laser.  of spontaneous emission in laser mode.

De préférence, le microrésonateur est un microrésonateur à microdisque (" microdisk ") ou à microanneau (" microring ") ou encore une microstructure à base d'un cristal photonique à une ou  Preferably, the microresonator is a microdisk ("microdisk") or micro-ring ("microring") microresonator or else a microstructure based on a photonic crystal with one or

deux dimensions.two dimensions.

Un résonateur à microdisque ou à microanneau, exploitant des modes de galerie (appelés " whispering gallery modes " dans les articles en langue anglaise) permet d'obtenir un fort confinement des photons. Il en est de même pour un microrésonateur constitué par une microstructure à base de cristal  A microdisk or micro-ring resonator, exploiting gallery modes (called "whispering gallery modes" in articles in English) allows to obtain a strong confinement of photons. It is the same for a microresonator constituted by a microstructure based on crystal

photonique à une ou deux dimensions.  one or two dimensional photonics.

Au sujet de ce dernier, on consultera le document [1] qui, comme les autres documents cités par la suite, est mentionné à la fin de la présente  Regarding the latter, consult document [1] which, like the other documents cited below, is mentioned at the end of this document.

description.description.

De préférence, le matériau du composant optique résonant est choisi parmi les composés semiconducteurs III-V qui sont parmi les matériaux  Preferably, the material of the resonant optical component is chosen from III-V semiconductor compounds which are among the materials

émetteurs et/ou détecteurs les plus performants.  most efficient transmitters and / or detectors.

Ce matériau peut être une hétérostructure semiconductrice III-V à puits quantiques (" quantum  This material may be a III-V semiconductor heterostructure with quantum wells ("quantum

wells ") ou à boites quantiques (" quantum boxes ").  wells ") or quantum boxes.

Cela permet, dans le cas o le composant optique résonant est un émetteur laser, d'abaisser le seuil de cet émetteur laser en augmentant le confinement des  This allows, in the case where the resonant optical component is a laser transmitter, to lower the threshold of this laser transmitter by increasing the confinement of the

excitons dans ce dernier.excite in the latter.

L'émission stimulée est d'autant plus  The stimulated emission is all the more

favorisée que la densité d'états convoluée exciton-  favored that the density of states convoluted exciton-

photon est importante dans le mode laser souhaité. Un émetteur laser à une ou deux dimensions a ainsi un  photon is important in the desired laser mode. A laser transmitter in one or two dimensions thus has a

seuil très bas.very low threshold.

Il convient de noter que les puits quantiques sont plus simples à former que les boîtes quantiques mais que ces dernières permettent un  It should be noted that quantum wells are simpler to form than quantum dots but that the latter allow a

confinement optimal des excitons.optimal confinement of excitons.

Il convient aussi de noter qu'une hétérostructure semiconductrice III-V à base de puits quantiques ou de boites quantiques peut émettre à des longueurs d'onde qui sont comprises dans la gamme allant de 1,3 pm à 1,5 pm, longueurs d'onde auxquelles  It should also be noted that a III-V semiconductor heterostructure based on quantum wells or quantum dots can emit at wavelengths which are in the range from 1.3 pm to 1.5 pm, lengths d wave to which

le silicium est transparent.the silicon is transparent.

Remarquons en outre que, pour réaliser des circuits photoniques intégrés, il convient de disposer de sources de lumière et de composants optiques passifs de dimensions microniques. En ce qui concerne les composants optiques passifs, la technologie " silicium sur isolant " permet, grâce au grand contraste d'indice optique entre, d'une part, le silicium et, d'autre part, la silice et l'air, d'assurer le fort confinement de la lumière qui est nécessaire à la miniaturisation  It should also be noted that, in order to produce integrated photonic circuits, it is necessary to have light sources and passive optical components of micron dimensions. With regard to passive optical components, the "silicon on insulator" technology allows, thanks to the high contrast of optical index between, on the one hand, silicon and, on the other hand, silica and air, d '' ensure the strong confinement of light which is necessary for miniaturization

de ces composants.of these components.

En outre, la réalisation de sources de lumière à microcavités permet de satisfaire à des exigences de miniaturisation et de faible consommation électrique tout en étant compatible avec la  In addition, the production of microcavity light sources makes it possible to meet requirements for miniaturization and low electrical consumption while being compatible with the

technologique " silicium sur isolant ".  "silicon on insulator" technology.

La présente invention concerne également un procédé de fabrication du circuit photonique intégré objet de l'invention, dans lequel on forme un substrat comprenant une première couche destinée à la fabrication du guide de lumière et une deuxième couche destinée à la fabrication du moyen de couplage optique et l'on rapporte une troisième couche ou portion de couche sur cette deuxième couche par une technique dite de collage de plaquette (" wafer bonding "), cette troisième couche ou portion de couche étant destinée à la fabrication du composant optique résonant ou  The present invention also relates to a method of manufacturing the integrated photonic circuit object of the invention, in which a substrate is formed comprising a first layer intended for the manufacture of the light guide and a second layer intended for the manufacture of the optical coupling means and a third layer or portion of layer is added to this second layer by a technique called wafer bonding, this third layer or portion of layer being intended for the manufacture of the resonant optical component or

comprenant ce dernier.including the latter.

La présente invention concerne en outre un autre procédé de fabrication du circuit photonique intégré objet de l'invention, dans lequel on forme un substrat comprenant une première couche destinée à la fabrication du guide de lumière et une deuxième couche destinée à la fabrication du moyen de couplage optique et l'on forme, sur cette deuxième couche, une hétérostructure à base d'un matériau actif comprenant des nanocristaux de InAs (formant des boîtes quantiques) dans une matrice de Si ou de Si3N4, cette hétérostructure étant destinée à la fabrication du  The present invention further relates to another method of manufacturing the integrated photonic circuit object of the invention, in which a substrate is formed comprising a first layer intended for the manufacture of the light guide and a second layer intended for the manufacture of the means of optical coupling and a heterostructure is formed on this second layer based on an active material comprising nanocrystals of InAs (forming quantum dots) in a matrix of Si or Si3N4, this heterostructure being intended for the manufacture of

composant optique résonant.resonant optical component.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

La présente invention sera mieux comprise à  The present invention will be better understood from

la lecture de la description d'exemples de réalisation  reading the description of exemplary embodiments

donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: * la figure 1 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un circuit photonique intégré conforme à l'invention, la figure 2 est une vue de dessus schématique d'un premier mode de réalisation particulier du circuit photonique intégré objet de l'invention, comprenant un microrésonateur de type microdisque, * la figure 3 est une vue en coupe longitudinale schématique du circuit de la figure 2, O la figure 4 est une vue de dessus schématique d'un deuxième mode de réalisation particulier du circuit photonique intégré objet de l'invention, comprenant un microrésonateur à base de cristal photonique à une dimension, * la figure 5 est une vue en coupe longitudinale schématique du circuit de la figure 4, et * la figure 6 est une vue en coupe longitudinale schématique d'une structure utilisable pour la fabrication d'un circuit conforme à l'invention.  given below, purely by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended drawings in which: * FIG. 1 is a schematic longitudinal section view of an integrated photonic circuit according to the invention, FIG. 2 is a schematic top view of a first particular embodiment of the integrated photonic circuit which is the subject of the invention, comprising a microdisc resonator of the microdisc type, * FIG. 3 is a schematic longitudinal section view of the circuit of FIG. 2, O the figure 4 is a schematic top view of a second particular embodiment of the integrated photonic circuit object of the invention, comprising a microresonator based on one-dimensional photonic crystal, * FIG. 5 is a schematic longitudinal section view of the circuit of Figure 4, and * Figure 6 is a schematic longitudinal sectional view of a structure used for the manufacture of a circuit according to the invention ntion.

EXPOSE DÉTAILLÉ DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS  DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS

Dans le circuit photonique intégré conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 1, une microsource laser 2, à microcavité résonante, est associée à un guide de lumière 4 de façon à permettre le transfert de la lumière engendrée  In the integrated photonic circuit according to the invention, which is schematically represented in FIG. 1, a laser microsource 2, with resonant microcavity, is associated with a light guide 4 so as to allow the transfer of the generated light

par la microsource dans ce guide de lumière.  by the microsource in this light guide.

Ce dernier peut être optiquement relié à d'autres composants optiques passifs (non représentés) du circuit photonique, qui reçoivent alors la lumière engendrée par la microsource et transmise par le guide  The latter can be optically connected to other passive optical components (not shown) of the photonic circuit, which then receive the light generated by the microsource and transmitted by the guide.

de lumière.from light.

Le guide de lumière 4 est formé, dans l'exemple représenté, à partir d'une structure de type silicium sur isolant. Cette structure comprend un substrat en silicium 6, sur lequel on a formé une couche de silice 8, ainsi qu'une couche de silicium formée sur cette couche de silice 8 et traitée pour  The light guide 4 is formed, in the example shown, from a structure of silicon on insulator type. This structure comprises a silicon substrate 6, on which a layer of silica 8 has been formed, as well as a layer of silicon formed on this layer of silica 8 and treated for

former le guide de lumière 4.form the light guide 4.

La microsource laser 2 est formée au-dessus d'une extrémité 10 de ce guide de lumière et une couche intermédiaire en silice 12 est interposée entre la microsource laser et cette extrémité du guide de lumière. On réalise ainsi une intégration verticale d'une partie active (microsource laser) du circuit photonique et d'une partie passive (guide de lumière)  The laser microsource 2 is formed above one end 10 of this light guide and an intermediate layer of silica 12 is interposed between the laser microsource and this end of the light guide. This produces vertical integration of an active part (laser microsource) of the photonic circuit and a passive part (light guide)

de ce circuit, la partie active étant positionnée au-  of this circuit, the active part being positioned above

dessus de cette partie passive. La couche intermédiaire 12 a pour fonction de transférer la lumière émise par la microsource laser vers l'extrémité 10 du guide de lumière par couplage évanescent vertical, ce qui est symbolisé par la flèche  above this passive part. The function of the intermediate layer 12 is to transfer the light emitted by the laser microsource to the end 10 of the light guide by vertical evanescent coupling, which is symbolized by the arrow

F1 de la figure 1.F1 in Figure 1.

L'extrémité 10 du guide d'onde, qui se trouve en-dessous de cette couche intermédiaire, est  The end 10 of the waveguide, which is located below this intermediate layer, is

prévue pour récupérer la lumière ainsi transférée.  intended to recover the light thus transferred.

Cette dernière se propage ensuite dans le reste 14 du guide de lumière (ce qui est symbolisé par la flèche horizontale F2) pour être éventuellement envoyée à d'autres composants passifs (non représentés) du  The latter then propagates in the rest 14 of the light guide (which is symbolized by the horizontal arrow F2) to be optionally sent to other passive components (not shown) of the

circuit photonique intégré.integrated photonic circuit.

L'utilisation de la microsource laser à microcavité résonante 2 et de la structure de type silicium sur isolant rend particulièrement performant le transfert de lumière de la microsource au guide de lumière du fait de la compatibilité, en termes de confinement optique, d'une telle source laser et d'une  The use of the laser microsource with a resonant microcavity 2 and the silicon-on-insulator type structure makes light transfer from the microsource to the light guide particularly efficient due to the compatibility, in terms of optical confinement, of such a laser source and a

telle structure.such structure.

Comme on le verra plus loin, l'extrémité du guide d'onde destiné à récupérer la lumière émise par la microsource laser peut être ce que l'on appelle un " collecteur de photons " et il convient alors que le reste 14 du guide d'onde soit suffisamment couplé à ce collecteur de photons pour inhiber le caractère résonant de ce dernier qui, sinon, provoquerait un  As will be seen below, the end of the waveguide intended to recover the light emitted by the laser microsource can be what is called a "photon collector" and it is then appropriate that the remainder 14 of the guide wave is sufficiently coupled to this photon collector to inhibit the resonant nature of the latter which would otherwise cause a

filtrage supplémentaire de lumière (non souhaité).  additional light filtering (not desired).

Dans l'exemple des figures 2 et 3, la microsource laser a une configuration de type microdisque 2a. On voit sur ces figures la structure de type silicium sur isolant comprenant encore le substrat de silicium 6, la couche de silice 8 formée sur ce dernier et, sur cette couche de silice, le guide de lumière en silicium 4 dont l'extrémité 10 constitue  In the example of FIGS. 2 and 3, the laser microsource has a configuration of microdisk 2a type. We see in these figures the silicon-on-insulator type structure further comprising the silicon substrate 6, the silica layer 8 formed on the latter and, on this silica layer, the silicon light guide 4 whose end 10 constitutes

alors un collecteur de photon (en silicium).  then a photon collector (made of silicon).

Sur ce dernier se trouve la couche intermédiaire en silice 12. La microsource de type microdisque 2a est formée sur cette couche intermédiaire. A titre purement indicatif et nullement limitatif la largeur L du guide de lumière vaut 0,3 pm, le diamètre D de la microsource à microdisque vaut environ 5 pm, l'épaisseur E1 de la couche de silice 8 vaut 0,5 pm, l'épaisseur E2 de la couche de silicium, à partir de laquelle sont formés le collecteur 10 et le reste 14 du guide de lumière, vaut 0,2 pm, l'épaisseur E3 de la couche intermédiaire de silice 12 vaut 0,2 pm et l'épaisseur E4 de la microsource laser à microdisque  On this latter is the intermediate layer of silica 12. The microsource of microdisk 2a type is formed on this intermediate layer. As a purely indicative and in no way limitative, the width L of the light guide is 0.3 μm, the diameter D of the microdisc microsource is approximately 5 μm, the thickness E1 of the silica layer 8 is 0.5 μm, l thickness E2 of the silicon layer, from which the collector 10 and the rest 14 of the light guide are formed, is 0.2 μm, the thickness E3 of the intermediate silica layer 12 is 0.2 μm and the thickness E4 of the microdisc laser microsource

vaut 0,2 pm.is 0.2 pm.

Dans l'exemple des figures 4 et 5, la microsource laser comprend un résonateur 2b à base d'un cristal photonique à une dimension. On voit encore sur ces figures 4 et 5 le substrat de silicium 6 recouvert par la couche de silice 8, elle-même surmontée du guide  In the example of FIGS. 4 and 5, the laser microsource comprises a resonator 2b based on a one-dimensional photonic crystal. We also see in these Figures 4 and 5 the silicon substrate 6 covered by the silica layer 8, itself surmounted by the guide

de lumière en silicium 4.silicon light 4.

Dans le cas des figures 4 et 5, l'extrémité de ce guide de lumière est rectiligne et prolonge le  In the case of FIGS. 4 and 5, the end of this light guide is straight and extends the

reste 14 (lui-même rectiligne) de ce guide de lumière.  rest 14 (itself rectilinear) of this light guide.

Cette extrémité est recouverte par la couche intermédiaire en silice 12, elle-même recouverte par la microsource laser 2 à base de cristal photonique à une dimension. A titre purement indicatif et nullement limitatif, la longueur Ls de cette microsource à base de cristal photonique vaut environ 3 pm, la largeur L du guide de lumière vaut 0,3 pm, l'épaisseur El de la couche de silice 8 vaut 0,5 pm, l'épaisseur E2 de la couche de silicium, à partir de laquelle sont formés l'extrémité 10 et le reste 14 du guide de lumière, vaut 0,2 pm, l'épaisseur E3 de la couche intermédiaire 12 vaut 0,2 pm et l'épaisseur E4 de la microsource à base  This end is covered by the intermediate layer of silica 12, itself covered by the laser microsource 2 based on one-dimensional photonic crystal. As a purely indicative and in no way limitative, the length Ls of this microsource based on photonic crystal is approximately 3 μm, the width L of the light guide is 0.3 μm, the thickness El of the silica layer 8 is 0, 5 pm, the thickness E2 of the silicon layer, from which the end 10 and the rest 14 of the light guide are formed, is 0.2 pm, the thickness E3 of the intermediate layer 12 is 0, 2 pm and the thickness E4 of the microsource based

de cristal photonique vaut 0,2 pm.of photonic crystal is 0.2 pm.

Dans la configuration particulière des figures 2 et 3 et dans l'autre configuration particulière des figures 4 et 5 on retrouve les éléments importants du schéma de la figure 1 que sont la source à microcavité résonante, la couche intermédiaire de couplage évanescent et le guide de  In the particular configuration of FIGS. 2 and 3 and in the other particular configuration of FIGS. 4 and 5 there are found the important elements of the diagram of FIG. 1, which are the resonant microcavity source, the intermediate evanescent coupling layer and the guide.

lumière (en silicium dans les exemples considérés).  light (in silicon in the examples considered).

Dans le cas des figures 2 et 3, le couplage évanescent s'effectue vers un collecteur de photons qui forme lui-même un disque fortement couplé au reste du  In the case of FIGS. 2 and 3, the evanescent coupling is carried out towards a photon collector which itself forms a disk strongly coupled to the rest of the

guide de lumière.light guide.

Dans le cas des figures 4 et 5, le couplage évanescent s'effectue directement depuis la cavité résonante de la microsource vers le guide de lumière à  In the case of FIGS. 4 and 5, the evanescent coupling is carried out directly from the resonant cavity of the microsource to the light guide at

travers la couche intermédiaire.through the middle layer.

Compte tenu des faibles dimensions données plus haut à titre d'exemple pour les circuits des figures 2 à 5, l'intervalle spectral libre entre les modes de cavité est appréciable: dans le cas des figures 2 et 3, l'intervalle spectral libre entre deux modes est de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres pour un microdisque dont le rayon vaut quelques micromètres (voir à ce sujet le document [2]) et, dans le cas des figures 4 et 5, o l'on utilise un cristal photonique à une dimension, cet intervalle peut dépasser une centaine de nanomètres (voir à ce sujet le  Given the small dimensions given above by way of example for the circuits of FIGS. 2 to 5, the free spectral interval between the cavity modes is appreciable: in the case of FIGS. 2 and 3, the free spectral interval between two modes is of the order of a few tens of nanometers for a microdisk whose radius is worth a few micrometers (see document [2] on this subject) and, in the case of FIGS. 4 and 5, where a crystal is used one-dimensional photonics, this interval can exceed one hundred nanometers (see on this subject

document [3]).document [3]).

De telles caractéristiques sont en accord avec les performances qui sont généralement requises pour les télécommunications optiques par exemple  Such characteristics are in agreement with the performances which are generally required for optical telecommunications for example

(actuellement 30 nm de plage spectrale utile).  (currently 30 nm of useful spectral range).

Pour la fabrication des structures des figures 2 à 5 on peut commencer par élaborer le matériau actif de la microsource laser (on reviendra sur cela par la suite) puis définir cette microsource laser, par exemple par lithographie électronique puis gravure ionique réactive (" reactive ion etching ") et définir ensuite les composants passifs (susceptibles de se trouver sur le substrat 6) et le guide de lumière 4 ainsi que d'éventuels autres guides de lumière par exemple par lithographie optique ou électronique ou par  For the manufacture of the structures of Figures 2 to 5 we can start by developing the active material of the laser microsource (we will come back to this later) then define this laser microsource, for example by electronic lithography then reactive ion etching ("reactive ion etching ") and then define the passive components (likely to be on the substrate 6) and the light guide 4 as well as any other light guides for example by optical or electronic lithography or by

gravure sèche et/ou humide.dry and / or wet etching.

La microsource laser peut être pompée soit par voie optique soit par voie électrique mais le pompage par voie optique est plus simple à mettre en oeuvre que le pompage par voie électrique car ce dernier nécessite le dépôt de couches métalliques (pour former des contacts électriques) ainsi que le dopage de matériaux semiconducteurs. Les circuits photoniques intégrés des figures 2 à 5 présentent l'avantage de permettre l'exploitation de matériaux électro-optiques, comme par exemple InP, qui ont de forts indices de réfraction et sont en contact avec l'air et avec des matériaux, comme par exemple la silice, qui ont de faibles indices de réfraction, ce qui assure un excellent confinement optique. De ce fait il n'est pas nécessaire de réaliser des composants très épais (plusieurs micromètres d'épaisseur) ni de suspendre ces composants  The laser microsource can be pumped either optically or electrically but pumping optically is easier to implement than pumping electrically because the latter requires the deposition of metal layers (to form electrical contacts) as well than doping semiconductor materials. The integrated photonic circuits of FIGS. 2 to 5 have the advantage of allowing the exploitation of electro-optical materials, such as InP, which have high refractive indices and are in contact with air and with materials, such as for example silica, which have low refractive indices, which ensures excellent optical confinement. Therefore it is not necessary to make very thick components (several micrometers thick) or to suspend these components

au-dessus d'une lame d'air au moyen d'un micro-usinage.  above an air gap by means of micro-machining.

On résout ainsi en particulier les problèmes de fabrication et de fiabilité mécanique qui sont généralement observés dans le cas des microlasers suspendus de type microdisque résonant (voir à ce sujet  In particular, this solves the manufacturing and mechanical reliability problems which are generally observed in the case of suspended microlasers of the resonant microdisc type (see on this subject).

le document [4]).document [4]).

De plus, les procédés de fabrication des parties actives et passives des circuits photoniques intégrés des figures 2 à 5 sont suffisamment indépendants pour conserver tous les acquis des techniques de fabrication de circuits photoniques sur  In addition, the methods of manufacturing the active and passive parts of the integrated photonic circuits of FIGS. 2 to 5 are sufficiently independent to preserve all the achievements of the techniques of manufacturing photonic circuits on

des structures de type silicium sur isolant.  silicon on insulator type structures.

Dans ce qui suit, on revient sur la fabrication de la microsource laser. Plus précisément, on considère maintenant l'intégration, au reste du circuit, du matériau actif à partir duquel est formée  In what follows, we return to the manufacturing of the laser microsource. More precisely, we now consider the integration, with the rest of the circuit, of the active material from which is formed.

cette microsource laser.this laser microsource.

En tant que matériau actif, on utilise de préférence un composé semiconducteur III-V ayant un gap direct, matériau qui est parfaitement maitrisé pour fabriquer les lasers classiquement utilisés dans le domaine des télécommunications optiques à 1,3 pm et  As active material, a III-V semiconductor compound having a direct gap is preferably used, a material which is perfectly mastered for manufacturing the lasers conventionally used in the field of optical telecommunications at 1.3 μm and

1,55 pm.1.55 pm.

Deux voies sont possibles et indiquées dans  Two ways are possible and indicated in

ce qui suit.what follows.

Selon un premier mode de mise en oeuvre particulier on fabrique une structure de type silicium sur isolant comprenant un substrat en silicium 6, sur lequel est formée une couche de silice 8, ainsi qu'une couche de silicium 16 formée sur cette couche de silice 8, ou on utilise une structure commercialement  According to a first particular embodiment, a structure of silicon on insulator type is manufactured comprising a silicon substrate 6, on which a layer of silica 8 is formed, as well as a layer of silicon 16 formed on this layer of silica 8 , or we use a structure commercially

disponible de ce genre.available like this.

On forme ensuite une couche de silice 18, destinée à la formation de la couche intermédiaire 12, sur la couche de silicium 16 puis une couche complète ou une portion de couche d'un composé semiconducteur  A layer of silica 18, intended for the formation of the intermediate layer 12, is then formed on the silicon layer 16, then a complete layer or a portion of a layer of a semiconductor compound.

III-V, par exemple InP, sur cette couche de silice 18.  III-V, for example InP, on this layer of silica 18.

Cette couche 20 ou cette portion de couche de InP est rapportée sur cette couche de silicqe 18 par la technique appelée collage de plaquette (" wafer  This layer 20 or this layer portion of InP is applied to this layer of silicone 18 by the technique called wafer bonding ("wafer

bonding ").bonding ").

Lorsque l'on utilise une portion de couche de InP, cette portion ne s'étend donc que sur une  When a layer portion of InP is used, this portion therefore only extends over a

partie de la couche 18.part of layer 18.

On fabrique ensuite la microsource laser 2 à partir de cette couche 20 en InP, par épitaxie de InP/GaInAsP et des techniques connues de fabrication des microsources lasers, de manière à obtenir une hétérostructure GaInAsP/InP (à puits quantiques ou à  The laser microsource 2 is then produced from this layer 20 in InP, by epitaxy of InP / GaInAsP and known techniques for manufacturing laser microsources, so as to obtain a GaInAsP / InP heterostructure (with quantum wells or with

boîtes quantiques).quantum dots).

On fabrique ensuite la couche intermédiaire de couplage vertical 12 à partir de la couche de silice 18 puis on fabrique le microguide de lumière 4 (y compris l'extrémité 10 de ce dernier qui se trouve sous la couche 12) à partir de la couche de silicium 16 de  The intermediate vertical coupling layer 12 is then produced from the silica layer 18 and then the light microguide 4 (including the end 10 of the latter which is located under the layer 12) is produced from the layer of silicon 16 of

la structure silicium sur isolant.the silicon on insulator structure.

Au lieu de former la microsource laser par épitaxie à partir de la couche 20 ou la portion de couche en InP, on peut aussi transférer, sur la structure de type silicium sur isolant munie de la couche de silice 18, une structure laser complète formée à partir de InP, ce transfert se faisant encore  Instead of forming the laser microsource by epitaxy from the layer 20 or the layer portion in InP, it is also possible to transfer, onto the silicon on insulator type structure provided with the silica layer 18, a complete laser structure formed at from InP, this transfer still taking place

par la technique de collage de plaquette.  by the plate bonding technique.

Le deuxième mode de mise en oeuvre particulier utilise aussi un substrat de type silicium  The second particular embodiment also uses a silicon type substrate

sur isolant.on insulator.

Sur ce substrat, on forme une couche de silice destinée à la formation de la couche de couplage intermédiaire et, sur cette couche de silice, on fabrique par dépôt chimique en phase vapeur (" chemical vapor deposition ") et épitaxie une hétérostructure à base d'un matériau actif, appelé matériau SIA et constitué de nanocristaux de InAs répartis dans une matrice de Si ou de Si3N4. Ce matériau SIA est fabriqué par une combinaison des techniques de dépôt chimique en phase vapeur, pour obtenir la matrice de Si ou de Si2N4, et d'épitaxie par jets moléculaires (" molecular beam  On this substrate, a layer of silica is formed intended for the formation of the intermediate coupling layer and, on this layer of silica, a chemical vapor deposition is produced and epitaxy a heterostructure based on 'an active material, called SIA material and made up of nanocrystals of InAs distributed in a matrix of Si or Si3N4. This SIA material is manufactured by a combination of chemical vapor deposition techniques, to obtain the Si or Si2N4 matrix, and molecular beam epitaxy

epitaxy "), pour obtenir les nanocristaux de InAs.  epitaxy "), to obtain the nanocrystals of InAs.

Au sujet d'un tel matériau SIA on pourra  Regarding such SIA material we can

consulter le document [5].see document [5].

Après la fabrication de l'hétérostructure, on fabrique comme précédemment la couche intermédiaire de couplage vertical 12 et le guide de lumière 4 (y  After the production of the heterostructure, the intermediate vertical coupling layer 12 and the light guide 4 (y

compris l'extrémité 10 de ce dernier).  including end 10 of the latter).

On donne ci-après des précisions supplémentaires sur la fabrication de circuits  Additional details are given below on the manufacture of circuits.

photoniques intégrés conformes à l'invention.  integrated photonics according to the invention.

Des substrats SOI (Si/SiO2/Si) appelés " Unibond " sont commercialement disponibles auprès de  SOI substrates (Si / SiO2 / Si) called "Unibond" are commercially available from

la Société SOITEC.SOITEC.

Au sujet de microsources lasers à microdisque ou microanneau on consultera également les  Regarding microdisc or microdisc laser microsources, we will also consult

documents [6], [7] et [8].documents [6], [7] and [8].

Au sujet des cristaux photoniques, on se  About photonic crystals, we

reportera aussi au document [9].see also document [9].

Au lieu de coupler une microsource laser du genre de celles des figures 1 à 5 à une extrémité d'un guide de lumière conformément à l'invention, il est possible de coupler cette microsource laser à une partie quelconque d'un guide de lumière (toujours par l'intermédiaire d'une couche intermédiaire de couplage), en adaptant, si cela est nécessaire, cette partie à la microsource (par exemple en donnant à cette partie une configuration de collecteur de lumière dans le cas o la microsouce laser est de type microdisque  Instead of coupling a laser microsource like those in FIGS. 1 to 5 to one end of a light guide according to the invention, it is possible to couple this laser microsource to any part of a light guide ( always via an intermediate coupling layer), by adapting, if necessary, this part to the microsource (for example by giving this part a configuration of light collector in the case where the laser microsouce is microdisk type

ou microanneau).or micro-ring).

De plus, l'invention n'est pas limitée à l'intégration d'une microsource laser: un microrésonateur intégré conformément à l'invention peut être utilisé non seulement en tant qu'émetteur laser mais encore en tant qu'amplificateur de lumière ou en tant que photodétecteur résonant ou même en tant qu'émetteur laser et photodétecteur résonant, en  Furthermore, the invention is not limited to the integration of a laser microsource: an integrated microresonator according to the invention can be used not only as a laser emitter but also as a light amplifier or as a resonant photodetector or even as a laser emitter and resonant photodetector,

alternant ces deux utilisations.alternating these two uses.

Les documents cités dans la présente  The documents cited herein

description sont les suivants:description are as follows:

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(1997) 878(1997) 878

[9]E. Yablonovitch, Phys. Lett. 58, 2059 (1987).  [9] E. Yablonovitch, Phys. Lett. 58, 2059 (1987).

Claims (12)

REVENDICATIONS 1. Circuit photonique intégré formé sur un substrat et comprenant au moins un guide de lumière (4) intégré à ce substrat, ce circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un composant optique résonant (2) qui est intégré au substrat et destiné à émettre ou détecter de la lumière ou les  1. Integrated photonic circuit formed on a substrate and comprising at least one light guide (4) integrated into this substrate, this circuit being characterized in that it further comprises at least one resonant optical component (2) which is integrated into the substrate and intended to emit or detect light or deux, ce composant optique résonant étant placé au-  two, this resonant optical component being placed above dessus d'une partie (10) du guide de lumière, et un moyen (12) de couplage optique vertical entre le composant optique résonant et cette partie du guide de lumière, cette dernière étant prévue pour assurer le transfert de lumière entre le composant optique résonant et le reste (14) du guide de lumière par  above a part (10) of the light guide, and means (12) for vertical optical coupling between the resonant optical component and this part of the light guide, the latter being provided to ensure the transfer of light between the optical component resonant and the rest (14) of the light guide by l'intermédiaire du moyen de couplage optique vertical.  through the vertical optical coupling means. 2. Circuit photonique intégré selon la revendication 1, dans lequel le moyen de couplage optique vertical comprend une couche (12) d'un matériau qui est transparent à la lumière et dont l'indice optique est inférieur à celui du guide de lumière ainsi  2. Integrated photonic circuit according to claim 1, in which the vertical optical coupling means comprises a layer (12) of a material which is transparent to light and whose optical index is lower than that of the light guide thus qu'à celui du matériau du composant optique résonant.  than that of the material of the resonant optical component. 3. Circuit photonique intégré selon l'une  3. Integrated photonic circuit according to one quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le  any of claims 1 and 2, wherein the guide de lumière (4) est en silicium.  light guide (4) is made of silicon. 4. Circuit photonique intégré selon la revendication 3, dans lequel le substrat est une  4. Integrated photonic circuit according to claim 3, in which the substrate is a structure de type silicium sur isolant.  silicon on insulator type structure. 5. Circuit photonique intégré selon l'une  5. Integrated photonic circuit according to one quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le  any of claims 1 to 4, wherein the moyen de couplage optique vertical comprend une couche  vertical optical coupling means comprises a layer de silice (12).silica (12). 6. Circuit photonique intégré selon l'une  6. Integrated photonic circuit according to one quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le  any of claims 1 to 5, wherein the composant optique résonant (2) comprend un microrésonateur.  resonant optical component (2) comprises a microresonator. 7. Circuit photonique intégré selon la revendication 6, dans lequel le microrésonateur est un7. Integrated photonic circuit according to claim 6, in which the microresonator is a microrésonateur à microdisque ou à microanneau (2a).  microdisc or micro-ring microresonator (2a). 8. Circuit photonique intégré selon la revendication 6, dans lequel le microrésonateur est une microstructure à base d'un cristal photonique (2b) à  8. Integrated photonic circuit according to claim 6, in which the microresonator is a microstructure based on a photonic crystal (2b) with une ou deux dimensions.one or two dimensions. 9. Circuit photonique intégré selon l'une  9. Integrated photonic circuit according to one quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le  any of claims 1 to 8, wherein the matériau du composant optique résonant (2) est choisi  material of the resonant optical component (2) is chosen parmi les composés semiconducteurs III-V.  among III-V semiconductor compounds. 10. Circuit photonique intégré selon la revendication 9, dans lequel le matériau du composant optique résonant (2) est une hétérostructure semiconductrice III-V à puits quantiques ou à boîtes  10. Integrated photonic circuit according to claim 9, in which the material of the resonant optical component (2) is a III-V semiconductor heterostructure with quantum wells or boxes. quantiques.quantum. 11. Procédé de fabrication du circuit photonique intégré selon l'une quelconque des  11. Method for manufacturing the integrated photonic circuit according to any one of revendications 1 à 10, dans lequel on forme un substrat  claims 1 to 10, wherein a substrate is formed comprenant une première couche (16) destinée à la fabrication du guide de lumière et une deuxième couche (18) destinée à la fabrication du moyen de couplage optique et l'on rapporte une troisième couche ou portion de couche (20) sur cette deuxième couche par une technique dite de collage de plaquette, cette troisième couche ou portion de couche étant destinée à la fabrication du composant optique résonant (2) ou  comprising a first layer (16) intended for the manufacture of the light guide and a second layer (18) intended for the manufacture of the optical coupling means and a third layer or portion of layer (20) is added to this second layer by a so-called wafer bonding technique, this third layer or portion of layer being intended for the manufacture of the resonant optical component (2) or comprenant ce dernier.including the latter. 12. Procédé de fabrication du circuit photonique intégré selon l'une quelconque des  12. Method of manufacturing the integrated photonic circuit according to any one of revendications 1 à 10, dans lequel on forme un substrat  claims 1 to 10, wherein a substrate is formed comprenant une première couche (16) destinée à la fabrication du guide de lumière et une deuxième couche (18) destinée à la fabrication du moyen de couplage optique et l'on forme, sur cette deuxième couche, une hétérostructure à base d'un matériau actif comprenant des nanocristaux de InAs dans une matrice de Si ou de Si3N4, cette hétérostructure étant destinée à la  comprising a first layer (16) intended for the manufacture of the light guide and a second layer (18) intended for the manufacture of the optical coupling means and a heterostructure based on a material is formed on this second layer active comprising nanocrystals of InAs in an Si or Si3N4 matrix, this heterostructure being intended for the fabrication du composant optique résonant (2).  manufacture of the resonant optical component (2).
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