FR2574950A1 - Composants optiques integres en verre et leur fabrication - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION SE RAPPORTE A L'OPTIQUE INTEGREE. ELLE CONCERNE UN COMPOSANT OPTIQUE INTEGRE COMPRENANT UN CORPS 4 EN VERRE MONOLITHIQUE DANS LEQUEL EST FORME AU MOINS UN CIRCUIT OU ELEMENT OPTIQUE 6, CARACTERISE EN CE QUE LE CORPS EN VERRE EST POURVU SUR AU MOINS UNE DE SES FACES SUR LESQUELLES DEBOUCHE LE CIRCUIT OU ELEMENT OPTIQUE, D'UN RENFONCEMENT PROFILE 5 PERMETTANT D'ASSURER LE POSITIONNEMENT D'UNE FIBRE OPTIQUE 7 EN COINCIDENCE AVEC LEDIT CIRCUIT OU ELEMENT OPTIQUE. UTILISATION NOTAMMENT DANS LE DOMAINE DES TELECOMMUNICATIONS.
Description
L'invention concerne des composants optiques intégrés en verre. Le
développement des technologie de transmission utilisant les fibres optiques ont conduit à la conception et à la réalisation de nouveaux composants optiques ou opto-électroniques qui ont pour fonction de traiter les signaux optiques issus de ou entrant dans les fibres. On distingue les composants passifs, purement optiques, des
composants actifs qui effectuent des conversions optiques-
électriques et qui mettent en jeu des effets optDélectri-
ques, opto-magnétiques, opto-thermiques, etc...
Les composants passifs comprennent, par ordre croissant de complexité:
- les connecteurs, qui relient 2 fibres en occasion-
nant le minimum de pertes; - les coupleurs, quirelient au moins 3 fibres et répartissent la puissance entre les diverses fibres, - les coupleurs multiplexeurs, qui répartissent
la puissance entre différentes fibres et qui sélection-
nent certaines longueurs d'onde.
Les composants actifs comprennent, entre autres les coupleurs moniteurs qui prélèvent une petite fraction du signal, les coupleurs amplificateurs les convertisseurs optique/éleetronique ou encore des interrupteurs ou des modulateurs. Les trois premiers types de composants cités
incorporent toujours au moins un élément "actif", par exem-
ple une photodiode assurant la conversion optique/électri-
que du signal.
On distingue enfin entre composant monomode et composant multimode suivant le type de propagation dans la
fibre.
Un très grand nombre de technologies ont été propo-
sées pour réaliser ces composants. Pour réaliser des compo-
sants actifs et passifs, on a utilisé les techniques de
l'optique traditionnelle ou miniaturisée. De bonnes perfor-
mances ont été atteintes mais ces techniques sont cod-
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teuses du fait de l'extrême difficulté d'aligner les diffé-
rents composants avec des tolérances égales ou inférieures
au micron.
Pour les composants passifs, il est possible d'utiliser les techniques de fusion, ou de polissage, de plusieurs fibres qui permettent de réaliser des couplages entre ces fibres. Ces techniques, qui sont délicates à mettre en oeuvre, ne sont pas universelles. En effet, il
est difficile de réaliser par exemple des coupleurs possé-
dant un grand nombre de portes, le contrble du rapport de
couplage est délicat ainsi d'ailleurs que la réalisation tech-
nologique. Enfin, l'intégration de composants actifs est impossible. Une autre technologie est apparue: l'optique intégrée planaire. Cette technique consiste à créer dans un
matériau diélectrique des guides d'ondes optiques en for-
mant des zones o la distribution d'indices de réfraction assure le guidage de la lumière. De véritables "circuits
imprimés optiques" peuvent Ltre ainsi réalisés. Des maté-
riaux, tels que le verre, le Si, l'AsGa ou le LiNbO ont été proposés. Les guides d'ondes monomodes ou multimodes sont en général en surface et obtenus par diffusion ou implantation d'ions augmentant l'indice du substrat (ex.:
K+, Ag+, T1+ dans les verres, Ti dans LiNbO3) ou par dé-
pat de couches possédant un indice effectif plus élevé dans le cas de substrats Si ou AsGa. Le verre présente un très grand intérêt du fait de son faible coût et de la relative facilité avec laquelle on peut faire diffuser des ions de forte polarisabilité générant ainsi des guides d'onde de
surface ou enterrés. La diffusion peut se faire en particu-
lier en utilisant un bain de sels fondus suivant la technique classique de la trempe chimique (voir par exemple: J. GOELL et al, BELL System Tech. J. Vol. 48 p. 3445-3448 (1969) et H. OSTERBERG et al, J. of Optical Soc. of America, Vol.
54, p. 1078-1084 (1964)).
Outre sa simplicité, la technique de la diffusion à partir
d'un sel fondu présente l'avantage de pouvoir régler l'in-
dice du guide en jouant sur la concentration en ions de forte polarisabilité dans le bain de sels fondus. Il est de plus très efficace pour diminuer les pertes des guides créées, de les "enterrer" sous la surface du verre. Une solution technique consiste à effectuer un deuxième échange
d'ions dans un bain de sels fondus contenant les ions ini-
tialement présents dans le verre (ou ayant une polarisabi-
lité plus faible) en appliquant un champ électrique. Le guide qui était en surface va migrer à l'intérieur du substrat. US-A-3.880.630 décrit une telle technologie. On peut, avec cette technologie de guides enterrés, obtenir
des composants intéressants et, en particulier, des cou-
pleurs ayant de bonnes performances au laboratoire (voir par exemple NIPPON SHEET GIASS technical report 1/1983,
p. 3-6).
On connaît, par ailleurs, par EP-A-0078658, un pro-
cédé de pressage ou moulage de précision du verre permet-
tant de réaliser des pièces optiques, telles que des len-
tilles, prismes, etc... avec une très grande précision.
US-A-4.447.550, 4.433.062 et GB-A-2.069.994 décrivent de
leur côté des compositions de verres optiques qui possè-
dent des caractéristiques qui les rendent particulièrement
aptes au pressage de grande précision.
Un des problème les plus difficiles à résoudre pour l'optique intégrée est le raccordement mécanique, avec une précision de l'ordre du micron ou parfois moins, des fibres, des sources ou des détecteurs par rapport au composant optique intégré. Au laboratoire, on colle avec une résine époxy la fibre au composant. C'est une opération longue,
délicate et difficilement industrialisable.
La présente invention vise à résoudre ce problème
en fournissant un composant optique intégré en verre pour-
vu de moyens de raccordement de fibres optiques audit com-
posant avec une grande précision.
Plus particulièrement l'invention concerne un composant optique intégré comprenant un corps en verre monolithique dans lequel est formé au moins un circuit ou élément optique, caractérisé en ce que le corps en verre est pourvu sur au moins une de ses faces sur lesquelles débouche le circuit ou élément optique, d'un renfoncement profilé permettant d'assurer le positionnement d'une fibre optique
en coïncidence avec ledit circuit ou élément optique.
Selon un mode de réalisation particulier, le renfoncement profilé est une rainure à section transversale en forme de V. Selon le type de composant à réaliser, le composant optique intégré peut comporter, en outre, au moins un autre renfoncement permettant le positionnement précis dans le composant d'un constituant actif tel qu'un filtre
optique, un détecteur, par exemple le cristal d'un photo-
diode, une source de lumière telle que le cristal d'un laser, etc... Le circuit ou élément optique formé dans le corps en verre peut être formé à la surface du verre ou de préférence enterré dans la masse du verre, et peut avoir
diverses configurations selon la nature du composant à réa-
liser, ainsi que cela est évident.
Le ou les renfoncement*s) dans le corps en verre peuvent être formé(s) de diverses manières, par exemple par usinage ultrasonique. Un procédé préféré, toutefois, consiste à mouler ou presser un verre approprié dans un moule de forme
convenable par le procédé de moulage ou pressage de préci-
d ans..
sion décrit/EP-A-0078658 précitée dont les enseignements sont incorporés ici par référence. Après moulage ou pressage, le corps moulé résultant est soumis à des opérations de formation du circuit optique, par exemple par le procédé décrit dans US-A-3880630 précité, dont les enseignements
sont incorporés ici par référence.
Seul un procédé de moulage de haute précision tel que celui décrit dans EP-A-0078658, peut donner un résultat satisfaisant. En effet, le renfoncement, tel qu'une rainure en V, doit être positionné avec une tolérance inférieure au micromètre. D'autre part, le fond du renfoncement, par exemple le fond de la rainure en V, doit être une surface plane perpendiculaire au renfoncement (rainure par exemple) avec une précision minimale de 30" d'arc. Enfin, l'état
de cette surface doit être tel qu'aucune perte par diffu-
sion ne se produise. On a trouvé que, pour cela, la rugo-
sité de la surface doit être inférieure à 0,05 Pm.
Le verre formant le corps en verre doit satisfaire de préférence, à un certain nombre de critères pour être utilisable:
- l'indice de réfraction du verre doit, de préfé-
rence, être proche de celui du verre formant la vonn eoer,
gaine de la fibre optique utilisée à/pour opti-
miser le couplage optique. Comme la plupart des fibres optiques de haute qualité ont une gaine en silice, l'indice de réfraction devra être dans ce cas proche de celui de la silice (n_ J1,46) - dans le cas préféré d'un circuit optique du type "enterré", le verre doit contenir des ions de
métaux alcalins, tels que Na+,K+, i,I etc...
de manière à pouvoir être soumis à l'opération de double échange d'ions destinée à produire le
circuit optique enterré.
- le verre ne doit contenir qu'une quantité minime
(moins de quelques dizaines de ppm) d'ions métal-
liques, tels que Fe3+ et Cu2+, ou d'ions hydro-
xyle OH qui réduisent la transmission de la lu-
mière.
- le verre doit présenter une bonne durabilité et
résister, en particulier, à l'environnement agres-
sif des bains de sels fondus utilisés pour former
le circuit optique.
- le verre doit avoir des températures de trans-
formation les plus basses possibles, de manière à pouvoir être moulé à des températures les plus basses possibles afin de garantir une durée de vie acceptable aux moules de haute précision qui sont coûteux à réaliser, et d'obtenir une bonne reproductibilité. A ces fins, ils doivent, en général, présenter un point de ramollissement
inférieur à 450oC.
Des exemples de verres utilisables sont des
verres contenant du fluor tels que des verres de fluorophos-
phates et des verres de fluoroborosilicates. On préfère ces derniers en raison de leur meilleure durabilité. Toutefois, d'autres verres tels que celui décrit dans US-A 3880360, peuvent 4tre utilisables bien que ne satisfaisant pas à
tous les critères indiqués ci-dessus pour les verres pré-
férés.
Les composants monolithiques en verre de l'in-
vention présentent des avantages notables par rapport à des
composants en matière polymère ou en composite verre/ma-
tière polymère. En particulier, les composants de l'inven-
tion ne sont pas sujets à la déstratification ou à des va-
riations dimensionnelles liées au vieillissement de la ma-
tière, aux fluctuations de température ou à l'humidité, qui
sont la cause de pertes dé lumière additionnelles.
La description qui va suivre faite en se réfé-
rant aux dessins annexés fera bien comprendre l'invention.
Sur ces dessins: La figure 1 illustre schématiquement, en vue
éclatée la réalisation par moulage de précision d'un connec-
teur optique intégré selon l'invention.
La figure 2 est une vue en perspective du connec-
teur de la figure 1 avec les fibres optiques raccordées.
Les figures 3 à 8 sont des vues schématiques en
plan de divers autres éléments optiques intégrés selon l'in-
vention.
La figure 1 illustre schématiquement la réalisa-
tion par moulage de précision d'un corps en verre parallé-
lépipédique, destiné à la fabrication d'un connecteur, et comportant une rainure en forme de V sur chacune de ses
petites faces opposées. Pour des raisons de clarté de re-
présentation la taille des rainures 5 et l'angle du V ont été fortement exagérés, On utilise pour ce moulage un montage du genre de celui représenté sur la figure 1 de.EP-A-78658. Les moules inférieur 1 et supérieur 2 (correspondant aux moules de la figure 1 de EP-A-78658) présentent, respectivement, une forme plane et une forme plane portant des petites pyramides 3 disposées, de façon alignée, sur les petits
bords opposés de la surface du moule supérieur.
Après moulage, on obtient comme représenté, un
corps en verre 4 ----------------------
présentant, sur ses petites faces opposées, des rainures en forme de V alignées. Le corps en verre moulé résultant est soumis ensuite
aux opérations conduisant à la formation d'un chemin op-
tique enterré dont les extremités aboutissent aux rainures
5. Pour utiliser l'élément optique ainsi obtenu comme con-
necteur, il suffit de positionner les extrémités des fibres optiques à connecter dans les rainures 5 et de les y fixer par tout moyen convenable, par exemple par collage. En i5 prévoyant des rainures de dimensions convenables et en positionnant correctement le chemin optique par rapport à ces rainures, il est facile de fixer les fibres optiques en coincidence. exacte avec ledit chemin optique, les fibres s'auto-positionnent par coinçage dans les rainurs en V. La figure 2 montre un tel connecteur en service. Sur cette figure, 6 désigne le chemin ou circuit optique enterré
et 7 désigne les fibres optiques.
Un verre utile pour réaliser le corps 4 est, par exemple, un verre ayant la composition en poids suivante Si02: 48 %, A1203: 14,2 %, B203: 17,4 %, Na20: 2,4 % : 12,6 % et F: 5,4 %. Ce verre présente un indice de réfraction de 1,465 pour la longueur d'onde de la raie du sodium.On forme à partir de ces verres des disques de 40 mm de diamètre et de 3 mm d'épaisseur préparés de façon classique, que l'on soumet au moulage de précision décrit dans EP-A-78658 en suivant le cycle de température et pression suivant: -chauffage de la température ambiante à 470 C à raison de 10 C/mn sans application de pression, -maintien à 470 C pendant 17 mn sans application de pression, - maintien à 470 Cpendant 5 mn avec application
d'une pression de 110 bars surle moule supé-
rieur 2, - refroidissement jusqutà 380 C à raison de 2,5 C/mn tout en relâchant progressivement la pression appliquée jusqu'à une pression nulle, - refroidissement jusqu'à 280 C à raison de 5 C/mn, et refroidissement jusqu'à la température ambiante
à raison de 20 C/mn.
La réalisation du circuit ou chemin optique en-
terré peut être réalisée comme suit, par exemple: Sur la face supérieure du corps 4 en verre moulé pourvu des rainures 5, on dépose un masque en titane de O 3000 A d'épaisseur par des techniques d'évaporation, puis par des techniques classiques de microphotolithographie, on produit un canal de 20?11 de largeur dans le masque dont l'axe est aligné avec les plans médians des rainures 5. La face masquée du corps en verre est alors mise en contact --pendant 3 heures à 375 C avec un bain de sels fondus constitué de proportions équimolaires de AgNO3 et de AgCl de façon à substituer des ions Ag+ à des ions de métaux alcalins présents dans le verre à l'endroit du canal formé dans le masque et à modifier ainsi localement l'indice de réfraction du verre de manière à créer un chemin optique dans la partie superficielle du verre. Après cela, on retire le corps 4 du bain de sels et on élimine avec précaution le masque par attaque chimique ménagée, par exemple à l'aide de bifluorure d'ammonium. On recouvre alors la face du corps 4 opposée à celle portant le chemin optique d'une couche d'or conductrice de l'électricité, puis on met délicatement la face du corps portant le chemin optique en contact avec un bain de sels fondus constitué de 83 moles % de KNO3 et de 17 moles % de NaNO3 à 365 C pendant
4 heures 15 minutes, tandis qu'on établit un champ élec-
trique de 33V/mm entre une électrode en platine disposée dans le bain et la couche d'or appliquée sur la face arrière du corps 4, le bain étant polarisé Positivement par rapport à la couche d'or. Ce traitement a pour effet d"'enterrer' le chemin optique et de conduire à l'obtention d'un guide d'ondes multimodes quasi-circulaire d'environ pa de diamètre situé à environ 25 pm sous la surface du verre. Un guide d'onde de ce genre possède une ouverture numérique (O.N.) de l'ordre de 0,1 et exhibe des pertes de
l'ordre de 0,06 dB/cm.
Il est évident que les dimensions du guide d'ondes obtenu,son ouverture numérique, sa profondeur d'enterrement, etc... sont fonction d'un certain nombre de paramètres sur lesquels on peut jouer pour obtenir le résultat désiré. Les plus importants de ces paramètres sont:
- la nature et la composition du premier bain d'é-
change d'ions. A la place d'ions Ag+, on pourrait utiliser des ions Tl (donnant un indice plus élevé) ou des ions K+(donnant un indice moins le radient élevé). De façon approximafive,/d'indice du guide d'ondes est proportionnel à la concentration d'ion actif (Ag+, Tl+, K+ ou autre) du premier bain! - la largeur du ou des canaux initiaux faits dans le masque, - le fait d'utiliser ou non un champ électrique au cours du premier échange d'ions. L'utilisation d'un tel champ permet d'augmenter l'indice du
guide d'ondes.
- les paramètres (température, durée, composition, valeur du champ électrique) qui définissent le
deuxième échange d'ions.
Il est à noter que,outre des guides d'ondes, on peut créer par la technique d'échange d'ions des lentilles
à gradient d'indice.
La moule utilisé pour le moulage de précision peut 9tre réalisé en carbure de tungstène. La partie supérieure du moule présente en haut- relief des pyramides 3 de section triangulaire pour former les rainures en V dans le corps en verre. Pour la connection de fibres optiques de 125 pn
par exemple
de diamètre, chaque pyramide a/une. base de257 F de large et une hauteur de 129 Fim. La longueur de chaque pyramide est de 8 mm environ. On peut réaliser un tel moule par usinage d'ultra-précision sur une rectifieuse à commande
numérique. En utilisant un appareillage tel que celui dé-
crit à propos de la figure 1 de EP-A-78658, on peut réali-
ser dans le corps en verre une réplique négative exacte de chaque pyramide avec un écart-type sur les dimensions et la position de l'empreinte inférieur au pm. Il va de soi
que pour des fibres optiques de diamètre différent, il fau-
dra adapter les dimensions des rainures ou renfoncements.
Le moule peut également 9tre adapté pour former dans le corps en verre d'autres renforcements ou cavités
destinés au positionnement dans le corps d'autres compo-
sants, par exemple un filtre, un détecteur, etc...
Sur les figures 3 à 8 on a illustré divers éléments optiques intégrés pouvant être réalisÉ conformément à l'invention. La figure 3 montre un coupleur-diviseur comprenant un corps en verre 4, un circuit optique enterré 16 en forme de Y et des rainures 5 en forme de V prévues à chacune des trois extrémités du circuit optique. L'angle 0 entre les branches du Y est de 10 (cet anglea été fortement exagéré
sur la figure pour des raisons évidentes de clarté-de re-
présentation).
La figure 4 montre un coupleur monomode à proximité.
Dans le cas d'une propagation monomode, il n'est pas né-
cessaire que les guides d'ondes se rencontrent pour obtenir un couplage. Un couplage, par l'énergie évanescente, peut
avoir lieu si les guides sont assez proches. Le coupleur re-
présenté comprend un corps en verre 4, deux guides d'ondes 26 d'un diamètre de 8 pm (O.N. = 0,1) enterrés à 62 pmn, se rapprochant sur leur partie centrale 27, à 24 pm l'un de
l'autre sur une distance de 6 mm pour permettre un cou-
plage de 50 % à une longueur d'onde de 1,3 im. Des rainures en forme de V sont prévues à chacune des extrémités des guides d'ondes pour le raccordement de fibres optiques.
La figure 5 illustre un coupleur multiplexeur mono-
mode. Ce coupleur comprend un corps en verre 4, deux guides d'ondes 36 rectilignes et, entre les guides 36, un guide d'ondes monomode 46 de forme circulaire formant boucle résonnante. Le couplage résultant est extrêmement sélectif en longueur d'onde. Des rainures 5 en forme de V sont prévues à chacune des extrémités des guides pour la
connection de fibres optiques.
La figure 6 montre un coupleur multiplexeur multi-
modes. Ce coupleur comprend un corps en verre 4, une premi-
ère lentille enterrée 40 à gradient d'indice formée dans
ce corps par la technique à double échange d'ions, un fil-
tre interférentiel 41 formé au préalable sur une lamelle, placé dans une rainure de positionnement formée lors du moulage du bloc et collé, et une deuxième lentille enterrée 42 à gradient d'indice. Des rainures 5 en forme de V sont,
en outre, prévues.
Les lentilles 40 et 42 ont 2,1 mm de long, 500/Lm de diamètre et un gradient d'indice parabolique de
0,025.
La figure 7 montre un élément optique intégré per-
mettant d'aligner une fibre optique monomode avec une len-
tille collimatrice. C'est notamment le cas dans les con-
necteurs monomodes du type " à faisceau expansé", ainsi
que dans le cas du couplage de l'émission d'un laser à semi-
conducteur et d'une fibre monomode. Cet élément comprend un corps 4 en verre dans lequel a été forméeune lentille
: 2574950
à gradient d'indice par la technique de double échange
d'ions. Une rainure 5 en forme de V assure le positionne-
ment exact de lafibre sur l'axe optique de la-lentille 50.
La figure 8représente un moniteur multimodes. Ce moniteur comprend un guide d'ondes principal 60 aux extré- mités duquel deux rainures en V 5 permettent la connection de fibres optiques. Le guide 60 présente une dérivation 61 dans laquelle passe seulement environ 10 % de l'énergie
véhiculée par le guide principal. A son extrémité, la dé-
rivation 61 s'évase et aboutit à une cavité formée lors du
moulage du corps 4 dans laquelle est positionné un photo-
détecteur 62.
Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques,sans
pour cela sortir du cadre de l'invention.
Claims (7)
1. Un composant optique intégré comprenant un corps (4) en verre monolithique dans lequel est formé au moins un circuit ou élément optique (6), caractérisé en ce que le corps en verre est pourvu sur au moins une de ses faces sur lesquelles débouche le circuit ou élément optique,
d'un renfoncement profilé (5) permettant d'assurer le position-
nement d'une fibre optique (7) en coincidence avec ledit
circuit ou élément optique.
2. Un composant optique intégré selon la reven-
dication 1, caractérisé en ce que le renfoncement profilé est une rainure à section transversale en forme de V.
3. Un composant optique intégré selon-la reven-
dication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, au moins un autre renfoncement permettant le positionnement
précis dans le composant d'un constituant actif.
4. Un composant optique intégré selon la revendi-
cation 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps en verre est
formé d'un verre contenant du fluor.
5. Un composant optique intégré selon la reven-
dication 4, caractérisé en ce que le verre est un verre de fluoroborosilicate.
6. Un composant optique intégré selon l'une
quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce
qu'il est un connecteur, un coupleur-diviseur, un coupleur monomode à proximité, un coupleur multiplexeur monomode, un coupleur multiplexeur multimodes, un coupleur permettant d'aligner une fibre optique avec une lentille collimatrice,
ou un moniteur multimodes.
7. Un procédé de fabrication d'un composant op-
tique intégré selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à a) mouler avec haute précision un corps en verre monolithique comprenant sur au moins une de ses faces un renfoncement profilé, et
b) former dans le corps obtenu en a) un cir-
cuit ou élément optique par une technique d'échange d'ions, ce circuit ou élément optique étan.t aligné optiquement avec
une fibre optique devant être positionnée dans ledit renfon-
cement.
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