EP2294464A1 - Structure de guide d'onde optique micronanostructuré pour le contrôle de la biréfringence - Google Patents

Structure de guide d'onde optique micronanostructuré pour le contrôle de la biréfringence

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Publication number
EP2294464A1
EP2294464A1 EP09772524A EP09772524A EP2294464A1 EP 2294464 A1 EP2294464 A1 EP 2294464A1 EP 09772524 A EP09772524 A EP 09772524A EP 09772524 A EP09772524 A EP 09772524A EP 2294464 A1 EP2294464 A1 EP 2294464A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
recesses
optical waveguide
waveguide structure
refractive index
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09772524A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Badhise Ben Bakir
Alexei Tchelnokov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2294464A1 publication Critical patent/EP2294464A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/126—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind using polarisation effects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Definitions

  • the invention relates to an optical waveguide structure in which birefringence is controlled.
  • the structure comprises an optical waveguide supported by a substrate, the optical waveguide having at least one micronanostructured guide layer.
  • Optical waveguides are mediums for the transport of optical signals that are widely used in optoelectronics. However, they have the disadvantage of being sensitive to the polarization of light: it is said that the optical waveguides are birefringent. Birefringence is conventionally defined as being the difference between the effective indices assigned to the TE (for "Transverse Electric” in English) and TM (for "Transverse Magnetic”) polarizations:
  • the polarization states TE and TM are defined such that: TE corresponds to the electric field parallel to the plane of the circuit and to the magnetic field perpendicular to the plane of the circuit,
  • the shape birefringence is due to the asymmetrical shape ratio of the section of the waveguide. Indeed, when an optical waveguide has an arbitrary shape ratio, it does not propagate the two polarization states TE and TM of an optical signal at the same speed, unless the section of the guide is strictly square. An optical polarization dispersion of the optical mode is then observed within the optical waveguide.
  • the birefringence of material, noted B matr is due to the material in which is inscribed the waveguide.
  • the birefringence of material may be intrinsic, as in the case of anisotropic materials, or be induced by waveguide manufacturing processes.
  • the known waveguides are mainly structures consisting of vertical stacks of thin layers.
  • Document [1] (referenced at the end of this description) describes a "double-core" waveguide consisting of a core layer and a thin layer.
  • the addition of the thin layer just below the main core layer compensates for the polarization dispersion of the core core layer.
  • the thin layer is chosen to have a thickness of a few tens of nanometers and a high refractive index, and a birefringence of opposite sign to that of the main core layer.
  • the thin layer is a Si 3 N 4 layer having a refractive index n -2 and the main core layer is SiON.
  • the double - core waveguide only compensates for weak birefringences (of the order of 10 ⁇ 3 , which corresponds to material birefringence values). It is therefore necessary for the waveguide to have a roughly square section in order to avoid the appearance of a form birefringence.
  • the thickness of the thin layer is chosen so that the sum of the thicknesses of the main layer of heart and the thin layer is approximately equal to the width of the waveguide.
  • the height H and the width L of the waveguide are chosen so that the section of the waveguide has a shape ratio very close to the unit. , that is to say, a substantially square shape, because this multilayer waveguide only compensates for weak birefringence (some 10 ⁇ 4 ). It is therefore important to avoid creating a shape birefringence in the waveguide.
  • the waveguides of the prior art must have a substantially square cross section in order to limit the shape birefringence.
  • the heights of these waveguides, having values close to the widths of these guides, are of a few micrometers.
  • the object of the invention is therefore to propose an optical waveguide which makes it possible to control the birefringence, and this, whatever the aspect ratio of the section of the waveguide.
  • an optical waveguide structure comprising: - a support substrate, - an optical waveguide disposed on one side of the support substrate, the optical waveguide comprising at least one guiding layer having a refractive index neither intended to guide an optical wave along a direction of propagation parallel to the surface of the guide layer, said structure being characterized in that said at least one guide layer comprises at least one zone having a valuable birefringence B, said zone comprising recesses which are made in the thickness of the guiding layer, the recesses being filled with a fluid or a material having a refractive index n 2 different from ni and being organized in at least two parallel rows, each row lying in a plane substantially perpendicular to the surface of the guide layer and substantially parallel to the direction of propagation of the optical wave, and c each row extending over a distance greater than or equal to the wavelength of the optical wave intended to be propagated in the guiding layer, the width of the recesses being less than or equal to one-tenth of the wavelength of the optical
  • ni and n 2 being the filling factor of the refractive index material ni and being a value between 0 and 1, the values 0 and 1 being excluded;
  • n H , ⁇ E and n H , ⁇ i4 being respectively the effective refractive indices of the TE mode and the TM mode of the upper refractive index ("high") guidance layer
  • n B , ⁇ E and n B , ⁇ M being respectively the effective refractive indexes of the TE mode and the TM mode of the fluid or filling material of the lower refractive index ("low”) recesses.
  • ni and n 2 are different, there is necessarily one which is superior and the other which is inferior.
  • n 2 is strictly equal to the surrounding index n in v (in the case where the structured guide layer is placed in a liquid or in the most general case, in the air or in any gas) , then n B , ⁇ E and n B , ⁇ M will be taken equal to n in v
  • the parameters of the above formula are modified so as to obtain, at the output of the waveguide, a compensated birefringence and in such a way that the two modes of propagation TE and TM are detected at the same time, even if they do not have the same speed of propagation. For example, if the TE mode propagates in the guiding structure with a certain delay compared to the TM mode, it is then desired to delay the TM mode so that at the output of the guiding layer, we can see the two modes TE and TM.
  • the parameters of the formula are locally modified so that the two modes TE and TM propagate at the same speed within the guiding layer. For this, the effective indices will be exactly the same.
  • the period between the rows is between 50 nm and 1 ⁇ m; the spacing between the recesses is between 50 nm and 1 ⁇ m; the depth of the recesses is between 10 nm and 1 ⁇ m.
  • the guide layer is said to have lateral micronanostructuring.
  • the recesses are present in at least one zone of the guiding layer where it is desired to modify the birefringence of the guiding layer.
  • the recesses can thus be located in one or more precise zones of the guide layer or be present on the entire guide layer.
  • the recesses can be present over the entire width of the guiding and / or over the entire length of the guiding layer.
  • the refractive index n 2 is different from the refractive index n i.
  • a refractive index neither greater than the index n 2 , so that the optical wave remains confined in the index material ni.
  • the index material ni is silicon
  • the material of index n 2 can be chosen from oxides (for example SiO 2 , TiO 2 ...) or nitrides (for example Si 3 N 4) . ).
  • the light wave intended to be propagated in the guiding layer has a wavelength of between 400 nm and 10 ⁇ m.
  • the adjacent recesses of adjacent rows are separated by a distance less than or equal to one-tenth of the wavelength of the optical wave intended to be propagated in the guiding layer.
  • the distance between the adjacent recesses of the same row is constant.
  • the distance between the rows is constant.
  • each guideline passing through the center of the recesses of each row it is possible for example to obtain a waveguide structure in which the guiding layer comprises a set of recesses arranged periodically.
  • the recesses is a slot extending in the direction of propagation of the optical wave.
  • at least one row may advantageously comprise a single recess, this recess being a slot which extends in the direction of propagation of the optical wave.
  • At least one of the recesses is a hole having a circular or square section.
  • the width of the recesses varies within the same row of recesses.
  • the variation of the width of the recesses within the same row is constant.
  • the variation of the width of the recesses in the same row is periodic; for example, the variation may be a sinusoidal variation with an increase followed by a decrease, etc. of the width.
  • the structuring parameters of the guide layer may vary over the width or length of the guide layer.
  • the index profile is then locally modified. This modification makes it possible, for example, to perform advanced passive / active optical functions in the waveguide (focuser, mode converter, switch, etc.).
  • the guiding layer has a thickness less than or equal to 10 microns. More particularly, the guiding layer may advantageously have a thickness of between 1 micrometer and 250 nanometers. Advantageously, the recesses have the same depth.
  • the recesses are through recesses.
  • the recesses are said to be through as they pass through the entire thickness of the guide layer.
  • the structure further comprises two conductive electrodes, a first electrode being placed under the coating layer and the second electrode being placed above the coating layer.
  • the two electrodes are placed near the region of the guide layer having the recesses.
  • the electrodes may be electrically conductive or thermally conductive.
  • the invention also relates to a method for producing such an optical waveguide structure comprising a support substrate and an optical waveguide, the waveguide comprising at least one guiding layer which comprises at least one zone having a birefringence value B.
  • the method of realization comprises the following steps: providing a stack comprising a support substrate and at least a first material guiding layer on one face of the support substrate,
  • each row being in a plane substantially perpendicular to the surface of the guide layer and substantially parallel to the direction of propagation of the optical wave in the guide layer, and each row being extending a distance greater than or equal to the wavelength of the optical wave to be propagated in the guide layer, the width of the recesses being less than or equal to one-tenth of the wavelength of the optical wave intended to be propagated in the guiding layer, the width of a recess being the maximum distance between two opposite edges of the same recess present in a plane perpendicular to the direction of propagation of the optical wave, each recess within a same row being remote from an adjacent recess by a distance less than or equal to one-tenth of the wavelength of the optical wave intended for propagated in the guide layer, the width
  • ff being the filling factor of the index material ni and being a value between 0 and 1, 0 and 1 being excluded
  • n H , ⁇ E and n H , ⁇ i4 being respectively the effective refractive indices of the TE mode and the mode TM of the upper refractive index guiding layer ("high")
  • n B , ⁇ E and n B , ⁇ M being respectively the effective refractive indices of the TE mode and the TM mode of the fluid or the filling material of the recesses of lower refractive index (“low”).
  • n 2 is strictly equal to the surrounding index n in v (in the case where the structured guide layer is placed in a liquid or in the most general case, in the air or in any gas) , then n B , ⁇ E and n B , ⁇ M will be taken equal to n in v
  • the structuring of the guiding layer may be carried out by lithography, then etching of said layer.
  • the production method further comprises, after the structuring step, a step of depositing a coating layer on the structured guide layer, said coating layer having a refractive index different from that of the guiding layer.
  • the production method further comprises, before the step of depositing the coating layer on the structured guiding layer, a step of forming a first conductive electrode on the guiding layer and, after the step of depositing the coating layer on the structured guide layer, a step of forming a second conductive electrode on the coating layer.
  • the conductive electrodes may be electrically conductive or thermally conductive. The formation of the electrodes may for example be obtained by deposition of an electrically conductive layer. It is specified that the first electrode may be formed before or after the structuring of the guiding layer.
  • the support substrate comprises a substrate having an index of refraction n 3 and a layer having an index of refraction n 4 in contact with the guiding layer, n 4 being lower than the refractive index and the guiding layer.
  • the support substrate comprises a silicon substrate and a silicon dioxide layer, and the guiding layer is a silicon layer.
  • FIG. 1 represents an example of an optical waveguide structure seen in cross-section according to the invention
  • FIGS. 2A to 2D represent the steps of the method of manufacturing an optical waveguide structure according to a first embodiment of the invention
  • FIGS. 3A and 3B show a view from above of the structure represented in FIG.
  • FIG. 4 represents a waveguide structure seen in cross section with two electrodes
  • FIGS. 5A to 5D show the steps of the method of manufacturing an optical waveguide structure according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 6 is a graph showing the birefringence calculations as a function of the silicon filling rate by simulation using software (RSOFT) and with the real sample;
  • FIG. 7 is a graph showing the effective indices of the states; polarization TE and TM according to the silicon filling rate of a waveguide structure according to the invention.
  • optical guide structure 1 An example of optical guide structure 1 according to the invention is illustrated in FIG. 1.
  • the structure 1 consists of an optical guide, comprising a single structured guidance layer 200 with a periodic recess network. A, resting on a support substrate 3.
  • the waveguide of the waveguide structure according to the invention may also consist of several stacked layers, at least of these layers comprising lateral nanostructuring.
  • SOI substrate silicon on insulator
  • a layer of silicon dioxide 300 of about 1 micrometer thick (Figure 2A).
  • a polycrystalline silicon layer 20 is then deposited on the silicon dioxide layer 300.
  • This silicon layer 20 has a thickness of between 200 nm and 1 ⁇ m (FIG. 2B).
  • the polycrystalline silicon layer 20 is then structured: a structured layer 200 is then obtained.
  • the lateral structuring of the waveguide can be done according to several geometries (in the form of slots or holes), the structuring being able to be mixed (holes and slots), periodic or non-periodic.
  • the structuring is a periodic array of parallel slots created throughout the thickness of the polycrystalline silicon layer 20.
  • the structuring is obtained for example by performing a lithography of the layer 20, then a RIE or ICP etching. . Lithography can be performed using UV, deep UV, focused ion beam or electron beam.
  • the recesses of the structured guide layer 200 may be left empty (Fig. 2C), but may also be filled.
  • the recesses of the structured guide layer can thus be filled with a solid or a fluid, the fluid can be a liquid or a gas.
  • the gas may for example be ambient air.
  • the structured guiding layer 200 is covered with a coating layer 5 which will fill the slots of the guiding layer.
  • a silicon dioxide coating layer 5 having a thickness of 1.5 micrometers is deposited on the structured guide layer 200, then this coating layer 5 is planarized by chemical mechanical polishing. The final thickness of the coating layer 5 can be controlled and adjusted between 100 nm and 1 micrometer.
  • a waveguide structure is thus obtained comprising a support substrate 3 and a waveguide 4 consisting of a structured guide layer 200 and a coating layer 5.
  • the coating layer 5 is made of a material identical to the material of the layer underlying the guiding layer, that is to say the layer 300.
  • a coating layer of a material having a different refractive index for example a lower refractive index
  • that of the guiding layer for example a resin or a dielectric material.
  • a slot ID network is etched throughout the thickness of the silicon layer at a period of 120 nm.
  • Such a micronanotructured waveguide is adapted to serve as a waveguide for a light wave having a wavelength of 1.55 microns.
  • FIGS. 3A and 3B show a view from above of the structure illustrated in FIG. 2C: the structured guide layer 200 is seen, as are the underlying substrate (layer 300) and the recesses A.
  • the structuring parameters (not between the recesses, number of recesses 7), one can increase, decrease or cancel the birefringence of the waveguide, but once the structuring is performed, the birefringence of the waveguide is fixed.
  • this birefringence can be modified by changing the material included in the recesses of the guiding layer. It is then preferable to use a fluid to fill and empty the recesses more easily.
  • a reconfigurable waveguide is obtained over time.
  • two electrodes (6, 7) are placed on either side of the coating layer 5 (FIG. 4) so as to dynamically change the refractive index of the coating layer and / or the parameters opto-geometric structuring of the structured guide layer 200.
  • the variation can be done electro-optically by applying an electrical voltage between the electrodes (6, 7) (to modify the refractive index) or thermally by producing local heating between the electrodes (the heat variation causes expansion or narrowing of the guide layer and changes the gap between the recesses).
  • the coating layer 5 is made of a material different from the layer 300 underlying the structured guide layer 200.
  • a layer of silicon dioxide 3000 is deposited on a III-V layer of a III-V heterostructure consisting of a III-V 8 substrate, a III-V 9 sacrificial layer and a III-V layer. 20 stacked ( Figure 5A).
  • the III-V materials forming the heterostructure may be for example GaAs or InP.
  • This heterostructure is transferred to a stack consisting of a silicon substrate 30 and a silicon dioxide layer 300 by a molecular bonding method, the adhesion occurring between the silicon dioxide layer 3000 of the heterostructure and the silicon dioxide layer 300 of the stack (FIG. 5B). Then, the substrate is removed
  • III-V 8 by lapping, polishing and selective chemical etching until reaching the sacrificial layer 9. Then the sacrificial layer 9 is removed by selective chemical etching.
  • the surface of the III-V layer can be flattened ( Figure 5C).
  • recesses are made in the III-V layer throughout its thickness, for example by performing a lithography followed by an RIE or ICP etching of the III-V layer.
  • the recesses may be a periodic network of parallel slots for example.
  • Birefringence B is obtained according to a formula which depends on a factor of the index material nf (filling factor ff) and refractive indices n, TE , n, TM , n 2 , ⁇ and n 2 , ⁇ M- This formula comes from an analytical model that allows to model the behavior of thin layer type slit structures. In this analytical model, we have:
  • ax is a corrective term of the first order, a being a constant, ⁇ being the period and ⁇ the wavelength; n e ff, ⁇ i4 and n e ff, ⁇ E being the effective refractive index of the TM mode and the TE mode, respectively; n H , ⁇ i4 and n H , ⁇ E being the high refractive index of the TM mode and the TE mode, respectively; n B , ⁇ i4 and n B , ⁇ E being the low refractive index of the TM mode and the TE mode, respectively.
  • ni and n 2 are different, there is necessarily one that will be “high” and the other "low".
  • n B , ⁇ E and n B , ⁇ M will be taken to be equal to n env .
  • the structuring parameters are connected to the filling factor ff in a manner known per se.
  • the width of a recess is equal to (l-ff) * ⁇ and the spacing between two adjacent recesses is equal to ff * ⁇ , where ⁇ is the period of the structured guide network.
  • the waveguide structure 1 studied in this example consists of a layer of silicon having a thickness of 320 nm, a width of 5 microns and a length of 300 microns, which forms the waveguide, and a substrate 3 ( Figure 1).
  • the refractive index of the structured silicon layer is 3.5.
  • This silicon layer comprises a periodic network of slots A parallel to the length of the layer, made throughout the thickness of the layer and organized in a period of 100 nm.
  • the substrate 3 may for example consist of a silicon substrate and a silica layer having a thickness of 2 microns. The assembly formed by this substrate and the 220 nm silicon layer then forms a micronanostructured SOI substrate.
  • the layer thus structured 200 is immersed in a homogeneous medium of silicon nitride Si 3 N 4 having a refractive index of 2.2.
  • a Gaussian beam is generated at one of the two edges of the structured layer 200 so that the beam propagates both in a direction parallel to the plane of the layer and parallel to the slots of the layer.
  • the beam is chosen so that it has a lateral extension smaller than the width of the structured layer so as to have optimal overlap with the optical mode.
  • n n H and n 2 is n B and we have:
  • Figure 6 shows the calculations of birefringence versus silicon fill rate by simulation using software (RSOFT) (straight line) and from the actual sample (round). It can be seen that the results obtained by simulation and the real sample (obtained using the analytical model) are close. The analytical model is therefore a good way to know the fill rate according to the desired birefringence.
  • FIG. 7 presents the effective indices calculated for the two states of polarization TE and TM, depending on the silicon fill factor of the structured layer.
  • the index difference between the two states TE and TM is greater than 0.1, the effective index for the TE mode being 3.21976 and the effective index for the TM mode being 3.0863.
  • the unstructured waveguide thus has a significant birefringence. This is explained by the fact that the waveguide has a strong asymmetry at its cross section.
  • a filling factor of 87% corresponds in our example to slots spaced from each other by 13 nm in a period of 100 nm, the slots being filled with silicon nitride. With a fill rate of 87%, there is therefore in the end a periodic succession of 87 nm wide silicon "bars" and "bars" of silicon nitride 13 nm wide.
  • the electric field feels nano-structuring as a homogeneous medium of average index while in TE polarization the field distribution is locally disturbed.
  • the amplitude of the electric field is maximum in the area of low index, in this case in the nitride; it is decreased by a factor approximately equal to ⁇ S i / £ Si3N4 in the zone of strong index, that is to say in silicon.
  • This disturbance of the electric field and its location, mainly in areas where n is low, are the two factors responsible for the strong alteration of the effective index in TE polarization as the ffs ⁇ filler factor decreases.
  • an optical waveguide structure actually makes it possible to control the birefringence, namely to reduce, cancel or precisely reverse the birefringence.
  • This control is determined by the choice of the parameters of the lateral structuring of the guide layer of the waveguide structure. Depending on this choice, we have a control of the birefringence over a wide range.
  • the waveguide that is to say the layer or layers resting on the support substrate, can have any section.
  • the control of the birefringence can be exercised on waveguides of section and report of form arbitrary (rectangular waveguides, square, circular ).
  • planar optical waveguides of submicron height can be manufactured which can easily be integrated into optical circuits, the substrate of the optical circuits forming the support substrate of the waveguides.
  • the waveguide according to the invention can thus have a small footprint.
  • These waveguides can be used in optoelectronic components to integrate in a compact way, and on the same chip, complex optical beam management functions such as multiplexing, demultiplexing, modulation, spectral routing ... These functions can be dedicated to optical links very short distances, at the millimeter scale (as for example for intra-chip communication), as for very long distances, of the order of several kilometers (for example for a communication in a metropolitan network).

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Abstract

L' invention concerne une structure de guide d'onde, comprenant un substrat support et un guide d' onde comprenant au moins une couche de guidage d'indice n1. Cette couche comprend une zone de biréfringence B qui comprend des évidements réalisés dans l'épaisseur de la couche de guidage et remplis d'un fluide ou matériau d'indice n2. Ils sont organisés selon au moins deux rangées parallèles, chaque rangée se trouvant dans un plan perpendiculaire à la surface de la couche de guidage et parallèle au sens de propagation de l'onde optique dans la couche de guidage; chaque rangée s' étendant sur une distance supérieure ou égale à la longueur d'onde de l'onde optique; la largeur des évidements étant = 1/10ième de la longueur d'onde de l'onde optique; chaque évidement au sein d'une même rangée étant éloigné d'un évidement adjacent d'une distance = 1/10ième de la longueur d'onde de l'onde optique; la valeur de biréfringence B suivant la formule (I), ff étant le facteur de remplissage du matériau d' indice de réfraction n1; nH,TE (nB,TE) et nH,TM (nB,TM) étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM de la couche de guidage d' indice de réfraction supérieur (inférieur).

Description

STRUCTURE DE GUIDE D'ONDE OPTIQUE MICRONANOSTRUCTURÉ POUR LE CONTRÔLE DE LA BIRÉFRINGENCE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention concerne une structure de guide d'onde optique dans laquelle la biréfringence est maîtrisée. La structure comprend un guide d'onde optique supporté par un substrat, le guide d'onde optique comportant au moins une couche de guidage micronanostructurée .
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Les guides d' ondes optiques sont des médiums de transport des signaux optiques très largement utilisés en optoélectronique. Ils présentent cependant l'inconvénient d'être sensibles à la polarisation de la lumière : on dit que les guides d'ondes optiques sont biréfringents. La biréfringence est classiquement définie comme étant la différence entre les indices effectifs affectés aux polarisations TE (pour « Transverse Electric » en anglais) et TM (pour « Transverse Magnetic » en anglais) :
Par convention, sur un circuit optique réalisé dans un plan donné, les états de polarisation TE et TM sont définis tels que : - TE correspond au champ électrique parallèle au plan du circuit et au champ magnétique perpendiculaire au plan du circuit,
- TM correspond au champ magnétique parallèle au plan du circuit et au champ électrique perpendiculaire au plan du circuit.
Dans les guides d'onde optiques, il existe principalement deux types de processus biréfringents : une biréfringence de forme et une biréfringence de matériau.
La biréfringence de forme, notée Bform, est due au rapport de forme asymétrique de la section du guide d'onde. En effet, lorsqu'un guide d'onde optique a un rapport de forme arbitraire, il ne propage pas les deux états de polarisation TE et TM d'un signal optique à la même vitesse, sauf si la section du guide est rigoureusement carrée. On observe alors au sein du guide optique une dispersion en polarisation du mode optique . La biréfringence de matériau, notée Bmatr est due au matériau dans lequel est inscrit le guide d'onde. La biréfringence de matériau peut être intrinsèque, comme dans le cas des matériaux anisotropes, ou être induite par les processus de fabrication des guides d'ondes. Par exemple, lorsqu'un guide d'onde est déposé sur un substrat, des contraintes peuvent apparaître au niveau de l'interface et générer ainsi un processus de biréfringence de matériau induite. D'une manière générale, le processus dominant de biréfringence est celui qui est lié au rapport de forme des guides, de telle sorte que Bform » Bmat. La biréfringence de forme constitue donc l'inconvénient principal à surmonter pour maîtriser la biréfringence des guides d'onde. Les guides d' onde connus sont principalement des structures constituées d'empilements verticaux de couches minces.
Le document [1] (référencé à la fin de cette description) décrit un guide d'onde à « double cœur » constitué d'une couche principale de cœur et d'une couche mince. Dans ce guide d'onde, l'ajout de la couche mince juste en-dessous de la couche principale de cœur permet de compenser la dispersion en polarisation de la couche principale de cœur. La couche mince est choisie de manière à avoir une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres et un fort indice de réfraction, ainsi qu'une biréfringence de signe opposé à celle de la couche principale de cœur. Dans l'exemple illustré dans le document [1] , la couche mince est une couche en Si3N4 ayant un indice de réfraction n~2 et la couche principale de cœur est en SiON.
Le guide d' onde à double cœur ne permet de compenser que de faibles biréfringences (de l'ordre de quelques 10~3, ce qui correspond à des valeurs de biréfringence de matériau) . Il est donc nécessaire que le guide d' onde ait une section à peu près carré afin d'éviter l'apparition d'une biréfringence de forme.
C'est pour cela que l'épaisseur de la couche mince est choisie de manière à ce que la somme des épaisseurs de la couche principale de cœur et de la couche mince soit à peu près égale à la largeur du guide d'onde.
Le document [2] décrit quant à lui un guide d'onde multicouches constitué d'une alternance de couches de silice d' indice nb et de hauteur hb et de couches de silice dopée d' indice na et de hauteur har la région centrale du guide d' onde étant une couche ayant une épaisseur deux fois plus grande que les couches adj acentes . Dans ce guide d'onde multicouches, le contraste d' indice entre les couches est très faible (Δn=l,5%) et l'épaisseur de chaque couche est de 250 nm.
Comme dans le guide d' onde à double cœur précédemment décrit, la hauteur H et la largeur L du guide d'onde sont choisies de manière à ce que la section du guide d' onde ait un rapport de forme très proche de l'unité, c'est-à-dire une forme essentiellement carrée, car ce guide d'onde multicouches ne permet de compenser que de faibles biréfringences (quelques 10~4) . Il est donc important d'éviter de créer une biréfringence de forme dans le guide d'onde.
En conclusion, la compensation de la biréfringence dans les guides d'ondes connus de l'art antérieur est, comme nous l'avons vu ci-dessus, limitée .
D'autre part, dans le domaine de l'optoélectronique, il est intéressant de pouvoir intégrer un maximum de dispositifs optiques sur une même puce. Or, cela nécessite de miniaturiser au maximum les circuits optiques, ce qui conduit à une miniaturisation de la section des guides optiques à des dimensions submicroniques . Or, comme nous venons de le voir, les guides d'ondes de l'art antérieur doivent avoir une section sensiblement carrée afin de limiter la biréfringence de forme. Les hauteurs de ces guides d'onde, ayant des valeurs proches des largeurs de ces guides, sont de quelques micromètres. Ces guides ne peuvent donc pas être utilisés dans le cadre d'une intégration submicronique .
Afin de réaliser des circuits optiques ou photoniques intégrés encore plus performants, les inventeurs ont donc cherché à concevoir un guide d' onde qui puisse non seulement compenser une biréfringence de matériau, mais également une biréfringence de forme. Les inventeurs ont donc cherché à concevoir un guide d'onde dans lequel la biréfringence puisse être maîtrisée, quelque soit la forme de la section du guide d' onde . Les inventeurs ont également cherché à concevoir un guide d' onde qui permette de contrôler la biréfringence à la fois dans l'espace, c'est-à-dire localement et/ou sur l'ensemble du guide d'onde, et dans le temps, c'est-à-dire obtenir un contrôle dynamique in-situ de la biréfringence du guide.
Le but de l'invention est donc de proposer un guide d' onde optique qui permette de contrôler la biréfringence, et cela, quel que soit le rapport de forme de la section du guide d'onde. EXPOSE DE L'INVENTION
Ce but est atteint par une structure de guide d'onde optique, comprenant : - un substrat support, - un guide d'onde optique disposé sur une face du substrat support, le guide d'onde optique comprenant au moins une couche de guidage ayant un indice de réfraction ni destinée à guider une onde optique selon un sens de propagation parallèle à la surface de la couche de guidage, ladite structure étant caractérisée en ce que ladite au moins une couche de guidage comprend au moins une zone ayant une biréfringence de valeur B, ladite zone comprenant des évidements qui sont réalisés dans l'épaisseur de la couche de guidage, les évidements étant remplis avec un fluide ou un matériau ayant un indice de réfraction n2 différent de ni et étant organisés selon au moins deux rangées parallèles, chaque rangée se trouvant dans un plan essentiellement perpendiculaire à la surface de la couche de guidage et essentiellement parallèle au sens de propagation de l'onde optique, et chaque rangée s' étendant sur une distance supérieure ou égale à la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur des évidements étant inférieure ou égale à un dixième de la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur d'un évidement étant la distance maximale entre deux bords opposés d'un même évidement présents dans un plan perpendiculaire au sens de propagation de l'onde optique, chaque évidement au sein d'une même rangée étant éloigné d'un évidement adjacent d'une distance inférieure ou égale à un dixième de la longueur d' onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur des évidements par rapport à la distance séparant deux évidements adjacents de deux rangées adjacentes et l'indice de réfraction n2 du fluide ou du matériau remplissant les évidements étant choisis en fonction de la valeur de biréfringence B que l'on souhaite obtenir selon la formule suivante :
ff étant le facteur de remplissage du matériau d' indice de réfraction ni et étant une valeur comprise entre 0 et 1, les valeurs 0 et 1 étant exclus ; nH,τE et nH,τi4 étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM de la couche de guidage d' indice de réfraction supérieur (« haut ») , nB,τE et nB,τM étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM du fluide ou du matériau de remplissage des évidements d' indice de réfraction inférieur (« bas ») . On rappelle que comme ni et n2 sont différents, il y en a forcément un qui est supérieur et l'autre qui est inférieur.
Si l'indice n2 est rigoureusement égal à l'indice environnant nenv (dans le cas où la couche de guidage structurée est placée dans un liquide ou dans le cas le plus général, dans l'air ou dans un gaz quelconque) , alors nB,τE et nB,τM seront pris égaux à nenv
Selon l'invention, ce sont bien le choix du facteur de remplissage ff et le choix du fluide
(liquide ou gaz) ou matériau remplissant les évidements qui permettent d'obtenir une biréfringence B contrôlée.
Il est à noter que les espaces entre les évidements et la période entre les rangées (dans le cas de rangées organisées de manière périodique) , que nous appellerons paramètres de structuration, sont compris dans des gammes de valeurs précises afin d'obtenir la biréfringence B souhaitée. Selon cette valeur souhaitée, on modifiera donc les paramètres de structuration des évidements et/ou la nature du fluide ou du matériau remplissant lesdits évidements. Il est à noter qu'on cherche ici à contrôler la biréfringence ; cela est possible de deux manières : d'une manière globale et d'une manière locale. Lorsqu'on souhaite contrôler la biréfringence de manière globale, on modifie les paramètres de la formule ci-dessus de manière à obtenir en sortie du guide d' onde une biréfringence compensée et de manière à ce que les deux modes de propagation TE et TM soient détectés en même temps, même s'ils n'ont pas la même vitesse de propagation. Par exemple, si le mode TE se propage dans la structure guidante avec un certain retard par rapport au mode TM, on cherche alors à retarder le mode TM de façon à ce qu'en sortie de la couche guidante, on puisse voir les deux modes TE et TM.
Lorsqu'on souhaite contrôler la biréfringence de manière locale, on modifie localement les paramètres de la formule de manière à ce que les deux modes TE et TM se propagent à la même vitesse à l'intérieur de la couche de guidage. Pour cela, les indices effectifs seront rigoureusement les mêmes.
La période entre les rangées est comprise entre 50 nm et 1 μm ; l'espacement entre les évidements est compris entre 50 nm et 1 μm ; la profondeur des évidements est comprise 10 nm entre et 1 μm.
Comme la structuration de la couche de guidage se fait dans l'épaisseur de la couche de guidage en partant d'une face de ladite couche et comme les dimensions des évidements ainsi que les espaces entre les évidements sont compris entre 50 nm et 1 μm, on dit que la couche de guidage comporte une micronanostructuration latérale.
Les évidements sont présents dans au moins une zone de la couche de guidage où on souhaite modifier la biréfringence de la couche de guidage. Les évidements peuvent ainsi être localisés en une ou plusieurs zones précises de la couche de guidage ou être présents sur l'ensemble de la couche de guidage
(la zone correspondant alors à l'ensemble de la couche de guidage). En d'autres termes, les évidements peuvent être présents sur toute la largeur de la couche de guidage et/ou sur toute la longueur de la couche de guidage .
L' indice de réfraction n2 est différent de l'indice de réfraction ni. Généralement, on choisit un indice de réfraction ni supérieur à l'indice n2, de manière à ce que l'onde optique reste confinée dans le matériau d'indice ni. Par exemple, si le matériau d'indice ni est en silicium, le matériau d'indice n2 peut être choisi parmi les oxydes (par exemple SiO2, TiO2 ...) ou les nitrures (par exemple Si3N4...) .
Avantageusement, l'onde lumineuse destiné à être propagée dans la couche de guidage a une longueur d'onde comprise entre 400 nm et 10 μm.
Avantageusement, les évidements adjacents de rangées adjacentes sont éloignés d'une distance inférieure ou égale à un dixième de la longueur d' onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage.
Avantageusement, la distance entre les évidements adjacents d'une même rangée est constante.
Avantageusement, la distance entre les rangées est constante.
Il faut comprendre que lorsqu'on parle de la distance entre les rangées adjacentes, on considère la distance entre deux lignes directrices, chaque ligne directrice passant par le centre des évidements de chaque rangée. Ainsi, on peut par exemple obtenir une structure de guide d'onde dans laquelle la couche de guidage comporte un ensemble d' évidements agencés de manière périodique. Avantageusement, au moins un des évidements est une fente s' étendant dans le sens de propagation de l'onde optique. Dans ce cas particulier, au moins une rangée peut avantageusement comprendre un seul évidement, cet évidement étant une fente qui s'étend dans le sens de propagation de l'onde optique.
Avantageusement, au moins un des évidements est un trou ayant une section circulaire ou carrée.
Avantageusement, la largeur des évidements varie au sein d'une même rangée d' évidements .
Selon une première variante, la variation de la largeur des évidements au sein d'une même rangée est constante.
Selon une autre variante, la variation de la largeur des évidements au sein d'une même rangée est périodique ; par exemple, la variation peut être une variation sinusoïdale avec une augmentation suivie d'une diminution, etc.. de la largeur.
Ainsi, les paramètres de structuration de la couche de guidage peuvent varier sur la largeur ou la longueur de la couche de guidage. Dans ce cas, le profil d'indice se trouve alors localement modifié. Cette modification permet de réaliser par exemple des fonctions optiques passives/actives avancées dans le guide d'onde (focaliseur, convertisseur de mode, commutateur...) .
Avantageusement, la couche de guidage a une épaisseur inférieure ou égale à 10 micromètres. Plus particulièrement, la couche de guidage peut avantageusement avoir une épaisseur comprise entre 1 micromètre et 250 nanomètres. Avantageusement, les évidements ont la même profondeur .
Avantageusement, les évidements sont des évidements traversants. On dit que les évidements sont traversants lorsqu' ils traversent la totalité de l'épaisseur de la couche de guidage.
Avantageusement, la couche de guidage comprenant les évidements est recouverte d'une couche de revêtement en matériau ayant un indice de réfraction n2 différent de ni et identique au matériau remplissant les évidements de la couche de guidage. Par exemple, le matériau présent dans les évidements peut être le même matériau que le matériau du substrat support.
Avantageusement, la structure comprend en outre deux électrodes conductrices, une première électrode étant placée sous la couche de revêtement et la seconde électrode étant placée au dessus de la couche de revêtement. De préférence, les deux électrodes sont placées à proximité de la zone de la couche de guidage comportant les évidements. Avantageusement, les électrodes peuvent être électriquement conductrices ou thermiquement conductrices .
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une telle structure de guide d'onde optique comprenant un substrat support et un guide d'onde optique, le guide d'onde comprenant au moins une couche de guidage qui comprend au moins une zone ayant une biréfringence de valeur B. Le procédé de réalisation comprend les étapes suivantes : - fourniture d'un empilement comprenant un substrat support et au moins une couche de guidage de premier matériau sur une face du substrat support,
- structuration de ladite au moins une couche de guidage dans ladite au moins une zone par formation d'évidements dans l'épaisseur de la couche de guidage, les évidements étant remplis avec un fluide ou un matériau ayant un indice de réfraction n2 différent de ni et étant organisés selon au moins deux rangées parallèles, chaque rangée se trouvant dans un plan essentiellement perpendiculaire à la surface de la couche de guidage et essentiellement parallèle au sens de propagation de l'onde optique dans la couche de guidage, et chaque rangée s' étendant sur une distance supérieure ou égale à la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur des évidements étant inférieure ou égale à un dixième de la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur d'un évidement étant la distance maximale entre deux bords opposés d'un même évidement présents dans un plan perpendiculaire au sens de propagation de l'onde optique, chaque évidement au sein d'une même rangée étant éloigné d'un évidement adjacent d'une distance inférieure ou égale à un dixième de la longueur d' onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur des évidements par rapport à la distance séparant deux évidements adjacents de deux rangées adjacentes et l'indice de réfraction n2 du fluide ou du matériau remplissant les évidements étant choisis en fonction de la valeur de biréfringence B que l'on souhaite obtenir selon la formule suivante :
ff étant le facteur de remplissage du matériau d' indice ni et étant une valeur comprise entre 0 et 1, 0 et 1 étant exclus, nH,τE et nH,τi4 étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM de la couche de guidage d' indice de réfraction supérieur (« haut ») , nB,τE et nB,τM étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM du fluide ou du matériau de remplissage des évidements d' indice de réfraction inférieur (« bas ») .
Si l'indice n2 est rigoureusement égal à l'indice environnant nenv (dans le cas où la couche de guidage structurée est placée dans un liquide ou dans le cas le plus général, dans l'air ou dans un gaz quelconque) , alors nB,τE et nB,τM seront pris égaux à nenv
La structuration de la couche de guidage peut être réalisée par lithographie, puis gravure de ladite couche.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de réalisation comprend en outre, après l'étape de structuration, une étape de dépôt d'une couche de revêtement sur la couche de guidage structurée, ladite couche de revêtement ayant un indice de réfraction différent de celui de la couche de guidage . Avantageusement, le procédé de réalisation comprend en outre, avant l'étape de dépôt de la couche de revêtement sur la couche de guidage structurée, une étape de formation d'une première électrode conductrice sur la couche de guidage et, après l'étape de dépôt de la couche de revêtement sur la couche de guidage structurée, une étape de formation d'une seconde électrode conductrice sur la couche de revêtement. Les électrodes conductrices peuvent être électriquement conductrices ou thermiquement conductrices. La formation des électrodes peut par exemple être obtenue par dépôt d'une couche électriquement conductrice. On précise que la première électrode peut être formée avant ou après la structuration de la couche de guidage . Selon un mode de réalisation, le substrat support comprend un substrat ayant un indice de réfraction n3 et une couche ayant un indice de réfraction n4 en contact avec la couche de guidage, n4 étant inférieur à l'indice de réfraction ni de la couche de guidage. Avantageusement, le substrat support comprend un substrat en silicium et une couche en dioxyde de silicium, et la couche de guidage est une couche en silicium. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels :
- la figure 1 représente un exemple d'une structure de guide d' onde optique vue en coupe transversale selon l'invention, - les figures 2A à 2D représentent les étapes du procédé de fabrication d'une structure de guide d' onde optique selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- les figures 3A et 3B représentent une vue de dessus de la structure représentée dans la figure
2C, où la structuration de la couche de guidage est, respectivement, localisée ou étendue sur toute la longueur de la couche de guidage,
- la figure 4 représente une structure de guide d'onde vue en coupe transversale comportant deux électrodes,
- les figures 5A à 5D représentent les étapes du procédé de fabrication d'une structure de guide d' onde optique selon un second mode de réalisation de l'invention,
- la figure 6 est un graphique présentant les calculs de la biréfringence en fonction du taux de remplissage en silicium par simulation en utilisant un logiciel (RSOFT) et avec l'échantillon réel, - la figure 7 est un graphique présentant les indices effectifs des états de polarisation TE et TM en fonction du taux de remplissage en silicium d'une structure de guide d'onde selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un exemple de structure 1 de guide optique selon l'invention est illustré dans la figure 1. Dans la figure 1, la structure 1 est constituée d'un guide optique, comprenant une unique couche de guidage structurée 200 avec un réseau périodique d'évidements A, reposant sur un substrat support 3.
Le guide d' onde de la structure de guide d'onde selon l'invention peut également être constitué de plusieurs couches empilées, au moins de ces couches comportant une nanostructuration latérale. Nous allons à présent décrire un exemple de réalisation d'une structure de guide d'onde selon l'invention à partir d'un substrat SOI (silicium sur isolant) .
Sur une face d'un substrat de silicium 30, on dépose une couche de dioxyde de silicium 300 d'environ 1 micromètre d'épaisseur (figure 2A) .
On dépose ensuite une couche de silicium polycristallin 20 sur la couche de dioxyde de silicium 300. Cette couche de silicium 20 a une épaisseur comprise entre 200 nm et 1 μm (figure 2B) .
On réalise ensuite la structuration de la couche de silicium polycristallin 20 : on obtient alors une couche structurée 200. La structuration latérale du guide d'onde peut se faire selon plusieurs géométries (sous forme de fentes ou de trous) , la structuration pouvant être mixte (trous et fentes) , périodique ou non-périodique. Dans cet exemple de réalisation, la structuration est un réseau périodique de fentes parallèles créé dans toute l'épaisseur de la couche de silicium polycristallin 20. La structuration est obtenue par exemple en effectuant une lithographie de la couche 20, puis une gravure RIE ou ICP. La lithographie peut être réalisée en utilisant des UV, des UV profonds, un faisceau d'ions focalisés ou un faisceau d'électrons. Les évidements de la couche de guidage structurée 200 peuvent être laissés vides (figure 2C) , mais on peut également les remplir. Les évidements de la couche de guidage structurée peuvent ainsi être remplis par un solide ou un fluide, le fluide pouvant être un liquide ou un gaz. Le gaz peut par exemple être 1' air ambiant .
Dans l'exemple illustré dans la figure 2D, la couche de guidage structurée 200 est recouverte d'une couche de revêtement 5 qui va venir combler les fentes de la couche de guidage. Par exemple, on dépose une couche de revêtement 5 en dioxyde de silicium ayant une épaisseur de 1,5 micromètres sur la couche de guidage structurée 200, puis on planarise cette couche de revêtement 5 par polissage mécano-chimique. L'épaisseur finale de la couche de revêtement 5 peut être contrôlée et réglée entre 100 nm et 1 micromètre. On obtient alors une structure de guide d' onde comportant un substrat support 3 et un guide d' onde 4 constitué d'une couche de guidage structurée 200 et d'une couche de revêtement 5. Dans l'exemple illustré dans la figure 2D, la couche de revêtement 5 est en un matériau identique au matériau de la couche sous-jacente à la couche de guidage, c'est-à-dire la couche 300. On peut cependant choisir de déposer une couche de revêtement en un matériau ayant un indice de réfraction différent (par exemple un indice de réfraction inférieur) de celui de la couche de guidage (par exemple une résine ou un matériau diélectrique) . Selon un autre exemple de réalisation, une couche de silicium d'indice n=3,5 ayant une épaisseur de 250 nm est reportée sur une couche de silice, elle- même déposée sur un substrat de silicium. Un réseau ID de fentes est gravé dans toute l'épaisseur de la couche de silicium selon une période de 120 nm. Les fentes du réseau sont ensuite remplies, par exemple, de nitrure de silicium Si3N4 d'indice n=2,2. On obtient alors un réseau ayant un facteur de remplissage en silicium de 85%. Un tel guide d'onde micronanotructuré est adapté pour servir de guide d'onde à une onde lumineuse ayant une longueur d'onde de 1,55 μm.
La structuration de la couche de guidage peut être localisée (figure 3A) ou étendue sur toute la longueur de la couche (figure 3B) . Ces figures 3A et 3B représentent une vue de dessus de la structure illustrée à la figure 2C : on aperçoit la couche de guidage structurée 200, ainsi que le substrat sous- jacent (couche 300) et les évidements A.
En fonction des paramètres de structuration (pas entre les évidements, nombre d' évidements...) , on peut augmenter, diminuer ou annuler la biréfringence du guide d'onde, mais une fois que la structuration est réalisée, la biréfringence du guide d'onde est fixée. On peut toutefois modifier cette biréfringence en changeant le matériau compris dans les évidements de la couche de guidage. Il est alors préférable d'utiliser un fluide pour remplir et vider plus facilement les évidements .
Il est également possible de modifier la biréfringence du guide d' onde de manière dynamique : on obtient alors un guide d'onde reconfigurable au cours du temps. Pour cela, on place deux électrodes (6, 7) de part et d'autre de la couche de revêtement 5 (figure 4) de manière à changer de manière dynamique l'indice de réfraction de la couche de revêtement et/ou les paramètres opto-géométriques de la structuration de la couche de guidage structurée 200. La variation peut se faire de manière électro-optique en appliquant une tension électrique entre les électrodes (6, 7) (pour modifier l'indice de réfraction) ou de manière thermique en produisant un échauffement local entre les électrodes (la variation de chaleur provoque l'expansion ou le rétrécissement de la couche de guidage et modifie l'espace entre les évidements). On note que dans cet exemple, la couche de revêtement 5 est en un matériau différent de la couche 300 sous- jacente à la couche de guidage structurée 200.
Selon un autre mode de réalisation, on peut également placer plusieurs paires d'électrodes le long du guide d'onde structuré de part et d'autre de la couche de revêtement afin de permettre une reconfiguration dynamique du guide d' onde par une modification globale ou locale des paramètres opto- géométriques de la couche de guidage structurée.
Un deuxième exemple de réalisation d'une structure de guide d'onde optique va être décrit.
On dépose une couche de dioxyde de silicium 3000 sur une couche III-V 20 d'une hétérostructure III- V constituée d'un substrat III-V 8, d'une couche sacrificielle III-V 9 et d'une couche III-V 20 empilés (figure 5A) . Les matériaux III-V formant 1' hétérostructure peuvent être par exemple du GaAs ou du InP.
Cette hétérostructure est reportée sur un empilement constitué d'un substrat de silicium 30 et d'une couche de dioxyde de silicium 300 par un procédé de collage par adhérence moléculaire, l'adhérence ayant lieu entre la couche de dioxyde de silicium 3000 de 1' hétérostructure et la couche de dioxyde de silicium 300 de l'empilement (figure 5B). Puis, on réalise le retrait du substrat
III-V 8 par rodage, polissage puis gravure chimique sélective jusqu'à atteindre la couche sacrificielle 9. Puis la couche sacrificielle 9 est éliminée par gravure chimique sélective. La surface de la couche III-V 20 peut être aplanie (figure 5C) .
Enfin, on réalise des évidements dans la couche III-V 20 dans toute son épaisseur, par exemple en effectuant une lithographie suivie d'une gravure RIE ou ICP de la couche III-V. Les évidements peuvent être un réseau périodique de fentes parallèles par exemple. On obtient alors une couche structurée 200. Puis, on remplit les évidements et on recouvre la couche III-V structurée 200 d'une couche de revêtement 5 en matériau différent (par exemple du dioxyde de silicium, du nitrure de silicium ou bien une résine optique transparente à la longueur d'onde de travail, etc.. (figure 5D) .
La biréfringence B est obtenue selon une formule qui dépend d'un facteur du matériau d'indice ni (facteur de remplissage ff) et des indices de réfraction ni,TE, ni,TM, n2,τε et n2,τM- Cette formule provient d'un modèle analytique permettant de modéliser le comportement des structures à fentes de type couche mince . Dans ce modèle analytique, on a :
- pour la polarisation TM :
'Λ naff -,™ = VnU χ ff + <™ χα - ff> + H \τ
- pour la polarisation TE :
neff-TE ~ I ff + α - ff) + a x ( λ
2 2
H,TE B,TE
où ax est un terme correctif du premier ordre, a étant une constante, Λ étant la période et λ la longueur d' onde ; neff,τi4 et neff,τE étant l'indice de réfraction effectif du mode TM et du mode TE, respectivement ; nH,τi4 et nH,τE étant l'indice de réfraction haut du mode TM et du mode TE, respectivement ; nB,τi4 et nB,τE étant l'indice de réfraction bas du mode TM et du mode TE, respectivement.
On rappelle que comme ni et n2 sont différents, il y en a forcément un qui sera « haut » et l'autre « bas ».
Dans le cas où l'indice n2 est rigoureusement égal à l'indice environnant nenv (dans le cas où la couche de guidage structurée est placée dans un liquide ou dans le cas le plus général, dans l'air ou dans un gaz quelconque) , alors nB,τE et nB,τM seront pris égaux à nenv.
On obtient ainsi la biréfringence B :
B - n eff, TE ~ n eff, TM -Λ n ffff + π(l --ffff)) TMxff + <TMxd-ff)
2 2
H,TE B,TE Les paramètres de structuration sont reliés au facteur de remplissage ff de manière connue en soi.
A titre d'exemple, pour un guide structuré à une seule dimension, la largeur d'un évidement est égale à (l-ff)*Λ et l'espacement entre deux évidements adjacents est égal à ff*Λ, Λ étant la période du réseau du guide structuré.
A titre d' illustration et afin de démontrer qu'un guide d'onde structuré selon l'invention permet effectivement de contrôler la biréfringence, nous avons effectué des calculs numériques à partir d'un guide d'onde de taille micrométrique comportant une nano- structuration latérale.
La structure de guide d' onde 1 étudiée dans cet exemple est constituée d'une couche de silicium ayant une épaisseur de 320 nm, une largeur de 5 μm et une longueur de 300 μm, qui forme le guide d'onde, et d'un substrat 3 (figure 1) . L'indice de réfraction de la couche de silicium structurée est de 3,5. Cette couche de silicium comporte un réseau périodique de fentes A parallèles à la longueur de la couche, réalisées dans toute l'épaisseur de la couche et organisées selon une période de 100 nm. Le substrat 3 peut par exemple être constitué d'un substrat en silicium et d'une couche de silice ayant une épaisseur de 2 μm. L'ensemble formé par ce substrat et la couche de silicium de 220 nm forme alors un substrat SOI micronanostructuré .
La couche ainsi structurée 200 est immergée dans un milieu homogène de nitrure de silicium Si3N4 ayant un indice de réfraction de 2,2.
Pour réaliser les calculs numériques, nous avons utilisé un logiciel commercial de simulation basé sur la méthode de la propagation des faisceaux optiques (le logiciel BeamProb® de chez Rsoft) . Ce logiciel permet de modifier le rapport entre la largeur des fentes et la période entre les fentes de la couche structurée. Dans notre exemple, en modifiant le rapport entre la largeur des fentes et la période, on modifie le facteur de remplissage en silicium (ffsi) de la couche structurée. Pour chaque rapport, on mesure les indices effectifs relatifs aux deux états de polarisation TE et TM.
Pour mesurer ces indices effectifs, on génère un faisceau gaussien à l'un des deux bords de la couche structurée 200 de manière à ce que le faisceau se propage à la fois selon une direction parallèle au plan de la couche et parallèlement aux fentes de la couche .
Le faisceau est choisi de manière à ce qu' il ait une extension latérale inférieure à la largeur de la couche structurée de manière à avoir un recouvrement optimal avec le mode optique. Dans cet exemple, le faisceau a une longueur d'onde autour de 1300 nm. Donc, dans cet exemple, ni= 3,5 et n2 = 2,2.
Par conséquent, ni est nH et n2 est nB et on a :
B = - Λ n TM X f f + n^TM X (l - f f) f f ff + H(l -- ff ff))
2 2 n i, TE n 2, TE
La figure 6 présente les calculs de la biréfringence en fonction du taux de remplissage en silicium par simulation en utilisant un logiciel (RSOFT) (ligne droite) et à partir de l'échantillon réel (ronds) . On constate que les résultats obtenus par simulation et l'échantillon réel (obtenu en utilisant le modèle analytique) sont proches. Le modèle analytique est donc un bon moyen pour connaître le taux de remplissage en fonction de la biréfringence que l'on souhaite obtenir.
On constate également dans la figure 6 qu'une biréfringence B égale à 0 peut être obtenue lorsque l'échantillon étudié présente un facteur de remplissage en silicium de 85%.
La figure 7 présente les indices effectifs calculés pour les deux états de polarisation TE et TM, en fonction du facteur de remplissage en silicium de la couche structurée.
En consultant le graphique de la figure 7, on constate qu'avant la structuration latérale de la couche (c'est-à-dire pour ffSl=100%) , l'écart d'indice entre les deux états TE et TM est supérieur à 0,1, l'indice effectif pour le mode TE étant de 3,21976 et l'indice effectif pour le mode TM étant de 3,0863. Le guide d' onde non structurée présente donc une biréfringence importante. Cela s'explique par le fait que le guide d' onde présente une forte asymétrie au niveau de sa section en coupe.
En présence de la nano-structuration latérale, les calculs d'indice montrent qu'en partant d'un facteur de remplissage en silicium de 100% jusqu'à un facteur de remplissage en silicium d'environ 87%, la biréfringence du guide est diminuée jusqu'à être complètement compensée pour ffSl=87%. Un facteur de remplissage de 87% correspond dans notre exemple à des fentes espacées les unes des autres de 13 nm selon une période de 100 nm, les fentes étant remplies de nitrure de silicium. Avec un taux de remplissage de 87%, on a donc au final une succession périodique de « barres » de silicium de 87 nm de large et de « barres » de nitrure de silicium de 13 nm de large.
En deçà de 87%, la biréfringence est inversée et atteint sa valeur optimale (>0,l) pour un facteur de remplissage en silicium de 50%.
On constate également à partir du graphique de la figure 7 que la nano-structuration de la couche affecte de manière plus importante l'indice effectif en polarisation TE.
En effet, en polarisation TM, le champ électrique ressent la nano-structuration comme un milieu homogène d'indice moyen alors qu'en polarisation TE la distribution de champ est localement perturbée. L'amplitude du champ électrique est maximale dans la zone de faible indice, en l'occurrence dans le nitrure ; elle est diminuée d'un facteur environ égal à εSi/ £si3N4 dans la zone de fort indice, c'est-à-dire dans le silicium. Cette perturbation du champ électrique et sa localisation, principalement dans les zones où n est faible, sont les deux facteurs responsables de la forte altération de l'indice effectif en polarisation TE à mesure que le facteur de remplissage ffs± diminue.
En conclusion, une structure de guide d'onde optique selon l'invention permet effectivement de contrôler la biréfringence, à savoir diminuer, annuler ou inverser de façon précise la biréfringence. Ce contrôle est déterminé par le choix des paramètres de la structuration latérale de la couche de guidage de la structure de guide d'onde. En fonction de ce choix, on a un contrôle de la biréfringence sur une large gamme.
Un des avantages de la structure de guide d'onde selon l'invention est que le guide d'onde, c'est-à-dire la ou les couches reposant sur le substrat support, peut avoir n'importe quelle section. Ainsi, le contrôle de la biréfringence peut s'exercer sur des guides d' ondes de section et de rapport de forme arbitraires (guides d'onde rectangulaires, carrés, circulaires...) . On peut donc fabriquer des guides d' ondes optiques planaires de hauteur submicrométrique qui peuvent facilement être intégrés dans des circuits optiques, le substrat des circuits optiques formant le substrat support des guides d'onde. Le guide d'onde selon l'invention peut ainsi présenter un encombrement réduit .
Ces guides d'onde peuvent être utilisés dans des composants optoélectroniques pour intégrer de façon compacte, et sur une même puce, des fonctions complexes de gestion de faisceaux optiques comme le multiplexage, le démultiplexage, la modulation, le routage spectral... Ces fonctions peuvent être aussi bien dédiées à des liaisons optiques très courtes distances, à l'échelle du millimètre (comme par exemple pour une communication intra-puce) , que pour de très longues distances, de l'ordre de plusieurs kilomètres (par exemple pour une communication dans un réseau métropolitain) .
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Claims

REVENDICATIONS
1. Structure de guide d'onde optique (1), comprenant : - un substrat support (3) ,
- un guide d'onde optique (4) disposé sur une face du substrat support (3), le guide d'onde optique comprenant au moins une couche de guidage (20, 200) ayant un indice de réfraction ni destinée à guider une onde optique selon un sens de propagation parallèle à la surface de la couche de guidage, ladite structure étant caractérisée en ce que ladite au moins une couche de guidage (20, 200) comprend au moins une zone ayant une biréfringence de valeur B, ladite zone comprenant des évidements (A) qui sont réalisés dans l'épaisseur de la couche de guidage, les évidements étant remplis avec un fluide ou un matériau ayant un indice de réfraction n2 différent de ni et étant organisés selon au moins deux rangées parallèles, chaque rangée se trouvant dans un plan essentiellement perpendiculaire à la surface de la couche de guidage et essentiellement parallèle au sens de propagation de l'onde optique, et chaque rangée s' étendant sur une distance supérieure ou égale à la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage (20, 200), la largeur des évidements (A) étant inférieure ou égale à un dixième de la longueur d' onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur d'un évidement étant la distance maximale entre deux bords opposés d'un même évidement présents dans un plan perpendiculaire au sens de propagation de l'onde optique, chaque évidement au sein d'une même rangée étant éloigné d'un évidement adjacent d'une distance inférieure ou égale à un dixième de la longueur d' onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur des évidements par rapport à la distance séparant deux évidements adjacents de deux rangées adjacentes et l'indice de réfraction n2 du fluide ou du matériau remplissant les évidements étant choisis en fonction de la valeur de biréfringence B que l'on souhaite obtenir selon la formule suivante :
ff étant le facteur de remplissage du matériau d' indice de réfraction ni et étant une valeur comprise entre entre 0 et 1, 0 et 1 étant exclus ; nH,τE et nH,τM étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM de la couche de guidage d' indice de réfraction supérieur, nB,τE et nB,τM étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM du fluide ou du matériau de remplissage des évidements d'indice de réfraction inférieur.
2. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1, dans laquelle l'onde lumineuse destiné à être propagée dans la couche de guidage (20, 200) a une longueur d'onde comprise entre 400 nm et 10 μm.
3. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1, dans laquelle les évidements (A) adjacents de rangées adjacentes sont éloignés d'une distance inférieure ou égale à un dixième de la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage.
4. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1, dans laquelle la distance entre les évidements (A) adjacents d'une même rangée est constante.
5. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1 ou 4, dans laquelle la distance entre les rangées est constante.
6. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1, dans laquelle au moins un des évidements (A) est une fente s' étendant dans le sens de propagation de l'onde optique.
7. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 6, dans laquelle au moins une rangée comprend un seul évidement (A) , cet évidement étant une fente qui s'étend dans le sens de propagation de l'onde optique.
8. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1, dans laquelle au moins un des évidements (A) est un trou ayant une section circulaire ou carrée .
9. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1, dans laquelle la largeur des évidements (A) varie au sein d'une même rangée d' évidements .
10. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 9, dans laquelle la variation de la largeur des évidements (A) au sein d'une même rangée est constante.
11. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 9, dans laquelle la variation de la largeur des évidements (A) au sein d'une même rangée est périodique.
12. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1, dans laquelle la couche de guidage (20, 200) a une épaisseur inférieure ou égale à 10 micromètres .
13. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1, dans laquelle la couche de guidage (20, 200) a une épaisseur comprise entre 1 micromètre et 250 nanomètres.
14. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1, dans laquelle les évidements (A) ont la même profondeur.
15. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1, dans laquelle les évidements (A) sont des évidements traversants.
16. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 1, dans laquelle la couche de guidage
(200) comprenant les évidements est recouverte d'une couche de revêtement (5) en matériau ayant un indice de réfraction n2 différent de ni et identique au matériau remplissant les évidements (A) de la couche de guidage (200) .
17. Structure de guide d'onde optique selon la revendication 16, comprenant en outre deux électrodes conductrices (6,7), une première électrode (6) étant placée sous la couche de revêtement (5) et la seconde électrode (7) étant placée au dessus de la couche de revêtement (5) .
18. Procédé de réalisation d'une structure de guide d'onde optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, la structure de guide d'onde comprenant un substrat support (3) et un guide d'onde (4) optique, le guide d'onde comprenant au moins une couche de guidage (200) qui comprend au moins une zone ayant une biréfringence de valeur B, ledit procédé de réalisation comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'un empilement comprenant un substrat support (3) et au moins une couche de guidage (20) de premier matériau sur une face du substrat support, - structuration de ladite au moins une couche de guidage (20) dans ladite au moins une zone par formation d'évidements (A) dans l'épaisseur de la couche de guidage, les évidements étant remplis avec un fluide ou un matériau ayant un indice de réfraction n2 différent de ni et étant organisés selon au moins deux rangées parallèles, chaque rangée se trouvant dans un plan essentiellement perpendiculaire à la surface de la couche de guidage (200) et essentiellement parallèle au sens de propagation de l'onde optique dans la couche de guidage, et chaque rangée s' étendant sur une distance supérieure ou égale à la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur des évidements étant inférieure ou égale à un dixième de la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur d'un évidement étant la distance maximale entre deux bords opposés d'un même évidement présents dans un plan perpendiculaire au sens de propagation de l'onde optique, chaque évidement au sein d'une même rangée étant éloigné d'un évidement adjacent d'une distance inférieure ou égale à un dixième de la longueur d' onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur des évidements par rapport à la distance séparant deux évidements adjacents de deux rangées adjacentes et l'indice de réfraction n2 du fluide ou du matériau remplissant les évidements étant choisis en fonction de la valeur de biréfringence B que l'on souhaite obtenir selon la formule suivante :
ff étant le facteur de remplissage du matériau d'indice de réfraction ni et étant une valeur comprise entre entre 0 et 1, 0 et 1 étant exclus ; nH,τE et nH,τM étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM de la couche de guidage d' indice de réfraction supérieur, nB,τE et nB,τM étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM du fluide ou du matériau de remplissage des évidements d'indice de réfraction inférieur.
19. Procédé de réalisation d'une structure de guide d'onde optique selon la revendication 18, comprenant en outre, après l'étape de structuration, une étape de dépôt d'une couche de revêtement (5) sur la couche de guidage (200), ladite couche de revêtement ayant un indice de réfraction différent de celui de la couche de guidage.
20. Procédé de réalisation d'une structure de guide d'onde optique selon la revendication 19, comprenant en outre, avant l'étape de dépôt de la couche de revêtement sur la couche de guidage (200), une étape de formation d'une première électrode conductrice (6) sur la couche de guidage (20, 200) et, après l'étape de dépôt de la couche de revêtement sur la couche de guidage (200), une étape de formation d'une seconde électrode conductrice (7) sur la couche de revêtement.
21. Procédé de réalisation d'une structure de guide d'onde optique selon la revendication 18, dans lequel le substrat support (3) comprend un substrat (30) ayant un indice de réfraction n3 et une couche (300) ayant un indice de réfraction n4 en contact avec la couche de guidage, n4 étant inférieur à l'indice de réfraction ni de la couche de guidage (20) .
22. Procédé de réalisation d'une structure de guide d'onde optique selon la revendication 21, dans lequel le substrat support (3) comprend un substrat en silicium et une couche en dioxyde de silicium, et la couche de guidage est une couche en silicium.
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