FR2747484A1 - Modulateur optique et composant presentant une matrice de modulateurs spatiaux de lumiere - Google Patents

Abstract

Modulateur optique, caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur (1) en anneau, au moins un réseau (6a) pour le couplage d'un faisceau de lumière sur ledit résonateur (1) et un réseau pour son découplage (6b), ainsi que des moyens (2b, 2c) pour la commande de l'accord dudit résonateur.

Description

La présente invention est relative aux modulateurs optiques, et aux composants à matrice de modulateurs spatiaux de lumière (SLM ou Spatial Light Modulators selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée par l'Homme du Métier).

Les modulateurs spatiaux de lumière les plus performants actuellement connus sont les modulateurs à cristaux liquides ferro-électriques. Ces modulateurs sont conçus pour fonctionner dans le visible (0,63 ym notamment).

Avec ces modulateurs, la commande de transmission des pixels est réalisée électriquement ou optiquement avec des temps de commutation de l'ordre de la dizaine de microsecondes au mieux.

On connaît également des composants à matrice de bistables optiques à microrésonateurs Fabry-Pérot réalisés à partir de couches à multipuits quantiques GaAs/GaAlAs, qui fonctionnent de façon tout-optique en régime non linéaire. Les longueurs d'onde de fonctionnement sont dans le domaine du proche infrarouge (de l'ordre de 0,85 Hm) et correspondent à des valeurs strictes associées au bord de bande d'absorption. Les temps de commutation sont de l'ordre de 10 ns avec des niveaux de puissance par pixel relativement élevés (inférieurs mais de l'ordre du mW), mais des problèmes d'uniformité de résonance et de stabilité thermique ont été constatés.

L'invention propose quant à elle une nouvelle structure de modulateur, ainsi qu'un composant présentant une matrice de modulateurs spatiaux de ce type.

Cette structure permet un fonctionnement rapide en infrarouge et en particulier aux longueurs d'onde de 1,3 ou 1,55 pm.

Plus particulièrement, l'invention propose un modulateur optique, caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur en anneau, au moins un réseau pour le couplage d'un faisceau de lumière sur ledit résonateur et un réseau pour son découplage, ainsi que des moyens pour la commande de l'accord dudit résonateur.

Elle propose également un composant comportant une matrice de modulateurs spatiaux de ce type.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un modulateur optique conforme à un mode de réalisation de l'invention
- la figure 2 est une représentation schématique en vue de dessus du composant de la figure 1, ladite figure 1 étant une vue en coupe brisée selon la ligne AA' de cette figure 2
- la figure 3 est une vue en perspective d'un composant à matrice de modulateurs spatiaux conformes à un mode de réalisation possible pour l'invention.

Le modulateur optique illustré sur les figures 1 et 2 comporte un résonateur 1 en anneau à structure à guide d'onde optique silicium sur isolant (SOI-SIMOX).

Plus particulièrement, il comporte sur un substrat 3 de silicium une couche 2 de silicium séparée du substrat 3 par une couche 4 de silice enterrée.

Un guide de lumière 2a est défini dans ladite couche 2 par un confinement latéral réalisé par exemple par implantation de dopants P+ et N+ respectivement au niveau des zones à l'intérieur (zone 2b) et à l'extérieur (zone 2c) de l'anneau de guidage 2a.

A titre d'exemple, le substrat 3 peut présenter une épaisseur de 450 pm, la couche 2 de Si présentant une épaisseur de 200 nm, pour une structure SOI-SIMOX standard sans reprise d'épitaxie, la couche 4 de SiO2 présentant une épaisseur de 450 nm.

La largeur du guide d'onde 2a entre les zones implantées 2b et 2c formant zones de confinement est par exemple comprise entre 6 et 8 pm, le guidage étant quasi monomode.

Les implantations N+, P+ sont par exemple réalisées par bombardement des zones 2b, 2c par des ions de phosphore et de bore respectivement. Les dopages ainsi réalisés sont d'une concentration de 1019/cl3.

L'anneau résonant 1 est défini par quatre miroirs d'optique intégrée 5 gravés dans la couche 2 au niveau de coins du guide d'onde et réalisés par gravure verticale sur 0,2 pm de profondeur, c'est-à-dire jusqu'à la couche 4 de silice enterrée.

L'injection de la lumière dans le résonateur 1 est réalisée au moyen d'un coupleur à réseau 6a placé à l'extérieur du résonateur et suivi d'une transition adiabatique 16a vers un guide d'entrée 16b d'une jonction en Y asymétrique dont l'autre branche est le guide d'onde 2a.

Le pas du réseau 6a (proche de 0,5 pm) est choisi pour que l'excitation du mode de propagation s'effectue avec un angle d'incidence e (figure 1) voisin de 150 dans l'air. Le réseau de couplage 6a peut être conçu pour être très efficace de façon à réduire les pertes par insertion du modulateur. Le réseau 6a peut être transféré dans le film guidant 2 par oxydation localisée du silicium au travers d'un réseau gravé d'abord dans un film de nitrure de silicium déposé sur une fine couche de silice réalisée par oxydation thermique du film de silicium, ce qui évite une détérioration des propriétés électroniques du Si, détérioration que l'on rencontrerait dans le cas d'une gravure ionique réactive.

La fibre monomode d'entrée étant en appui sur la face du substrat 3 opposée à la couche de silicium 2, la longueur L du réseau 6a et sa largeur sont de l'ordre de 50 pm. Avec ce dimensionnement, pour une bonne efficacité du réseau 6a, sa longueur de découplage doit être de l'ordre de 15 pm (conduisant à une largeur angulaire d'excitation de plusieurs degrés proche de l'ouverture numérique d'une fibre optique).

Par ailleurs, le résonateur 1 présente au droit de la zone 2a formant le guide un réseau de découplage 6b pour l'extraction du faisceau guidé du résonateur.

La longueur L de ce réseau de découplage 6b est comprise entre 5 et 10 pm.

Son pas est, comme pour le réseau 6a, de l'ordre de 0,5 pm.

Le fait que le réseau de couplage 6a et le réseau de découplage 6b soient distincts permet une bonne séparation angulaire entre l'entrée et la sortie du composant et évite que le faisceau en sortie du composant ne soit éventuellement perturbé par une portion de la lumière d'entrée. Cette séparation permet également un bien meilleur contraste.

Sur la couche 2 et les réseaux 6a, 6b est déposée une couche 7 de silice de passivation qui présente par exemple une épaisseur de 0,4 pm. Sur cette couche 7 est déposé au droit du réseau de couplage 6a un miroir métallique 8 qui permet d'augmenter sensiblement l'efficacité dudit réseau de couplage. Plus de 50 % de la lumière incidente peut ainsi être injectée dans le résonateur 1.

Par ailleurs, la finesse du résonateur 1 dépend d'abord de la qualité des miroirs 5 d'optique intégrée puis des pertes dans les guides. Une valeur de l'ordre de 15 à 20 est réalisable.

On notera que les pertes d'insertion peuvent être réduites au détriment de la finesse en augmentant l'efficacité du réseau de découplage 6b. Un miroir métallique 10 disposé, ainsi qu'on peut le voir sur la figure 1, sur la face arrière du substrat 3 permet aussi de profiter de la lumière découplée dans cette direction à condition d'utiliser une fibre de sortie multimode et un angle d'incidence e bien choisi.

Sur la couche 7 et le miroir 8 est en outre déposée une nouvelle couche de passivation 9 également en silice, les couches 7 à 9 ayant par exemple une épaisseur totale de 1 pm.

Le résonateur qui vient d'être décrit fonctionne dans des conditions de résonance lorsque l'onde guidée injectée sous le réseau de couplage 6a ayant parcouru un tour de l'anneau 1 revient en phase avec l'onde qui continue à être injectée.

L'énergie alors emmagasinée dans le résonateur est maximum et il en est de même de la puissance injectée dans la fibre de sortie.

En l'absence d'injection de porteurs dans la jonction P+NN+ constituant le guide (jonction non polarisée ou en inverse), on accorde le résonateur sur la longueur d'onde du rayonnement incident en ajustant la température du substrat. Celle-ci est ensuite maintenue stable à 0,10C près.

Pour désaccorder le résonateur 1 et par conséquent moduler le flux lumineux, on injecte des porteurs dans le guide 2a de l'anneau, en polarisant en direct la jonction
P+NN+, les zones 2c dopées N+ étant reliées à la masse, la zone 2b dopée P+ étant reliée à une électrode (non représentée). On augmente ainsi les pertes optiques dans le guide de l'anneau de sorte que la puissance alors injectée dans la fibre de sortie devient minimum.

On notera que les temps de commutation du faisceau lumineux découplé sont de l'ordre de 10 ns. Ils sont principalement fixés par les effets de capacité de diffusion des porteurs minoritaires.

Ainsi qu'on l'a illustré sur la figure 3, le modulateur qui vient d'être décrit est avantageusement intégré dans un composant monolithique présentant de tels modulateurs répartis de façon à constituer une matrice de modulateurs spatiaux.

A cet effet, la dimension D de la diagonale du carré dans lequel est inscrit un résonateur élémentaire 1 - carré délimité par les miroirs 5 (traits pointillés sur la figure 2) - est au plus égale au pas du faisceau de fibres optiques divisé par le cosinus de l'angle d'incidence, soit 260 Hm pour un pas de 250 pm qui correspond à celui des rubans de fibres monomodes actuellement commercialisés et pour un angle d'incidence de l'ordre de 150.

Sur le composant illustré sur la figure 3, les zones dopées qui correspondent aux zones 2b, 2c sont des zones rectangulaires, éventuellement continues d'un résonateur élémentaire 1 à l'autre.

Sur la figure 3, les flèches E et S désignent respectivement les directions d'entrée et sortie de lumière.

Bien entendu, ces entrées et sorties peuvent intervenir par l'intermédiaire de microlentilles.

Un tel composant peut se réaliser de la façon suivante
1 - Photolithographie des repères, gravure des repères jusqu'au substrat de Si.

2 - Ecriture directe sur tranche par masquage électronique des réseaux et des guides puis gravure du film de nitrure de silicium et oxydation localisée du silicium.

3 - Photolithographie des régions N+ puis implantation N+.

4 - Photolithographie des régions P+ puis implantation P+ et recuit d'activation des implants.

5 - Ecriture directe des miroirs puis gravure des miroirs (du film de Si), dépôt d'une silice de passivation.

6 - Photolithographie, puis gravure des zones ou "vias" destinés à recevoir la métallisation.

7 - Photolithographie des régions à métalliser puis métallisation, dépôt d'une seconde couche de silice de passivation, traitement antireflet de la face arrière.

8 - Photolithographie pour le dégagement des contacts puis gravure chimique de la silice, découpe par sciage des circuits optoélectroniques.

Ces différentes étapes correspondent à des technologies classiquement connues de l'Homme du Métier et ne seront pas ici plus particulièrement détaillées.

Un tel composant à modulateurs spatiaux peut par exemple être utilisé dans le domaine des télécommunications optiques pour la transmission d'informations indépendantes à débit modéré (inférieures à 40 Mbauds) sur une pluralité de voies en parallèles (fibres multimodes).

Par exemple, les différents résonateurs élémentaires du composant reçoivent une lumière issue d'une source laser unique. Les différents pixels qu'ils constituent modulent par commande électrique la transmission de cette lumière.

Le composant de la figure 3 peut également être utilisé pour l'interconnexion optique rapidement reconfigurable, avec un débit d'informations par voie beaucoup plus élevé, et des fibres monomodes en entrée et sortie. Pour une présentation générale des techniques d'interconnexion optique, on pourra avantageusement se référer aux publications suivantes
[1] A. Walker "Spatial light modulators for interconnect switchest, ESPRIT Basic Research Series,
Perspectives for parallel Optical Interconnects, Ph.

Lalanne and P. Chavel (Editors) Springer Verlag (1993), p. 175-195
[2] A. Kirk, T. Hall "Interconnects with optically thin elements", ESPRIT Basic Research Series, Perspectives for parallel Optical Interconnects, Ph. Lalanne and P.

Chavel (Editors) Springer Verlag (1993), p. 261-295.

D'autres applications que les télécommunications optiques sont bien entendu également envisageables.

Notamment, le composant selon l'invention pourrait également être utilisé pour le traitement optique de l'information.

Il est alors souhaitable de pouvoir disposer de composants à modulateurs spatiaux de lumière toutoptiques.

Or, la structure de résonateur qui vient d'être décrite en référence aux figures 1 à 3 peut également être désaccordée par éclairage des zones guidantes 2a, par exemple par un faisceau de longueur d'onde X < 0,8 pm.

Un tel éclairage permet en effet, de la même façon qu'une polarisation électrique, la création dans le composant de paires électrons/trous pour la commande du résonateur.

En variante, il peut être envisagé de compléter les composants illustrés en référence aux figures 1 à 3 par des empilements disposés au niveau des structures formant guide d'onde, pour définir un ou des photodétecteurs sensibles à la longueur d'onde de fonctionnement et permettant de commander électriquement le résonateur après amplification par un transistor.

Une telle structure peut être par exemple réalisée par épitaxie localisée de SiGe sur une structure de type
SOI-SIMOX.

Par ailleurs, on notera que les structures de type
SOI-SIMOX présentent une excellente uniformité d'épaisseur du film de silicium sur isolant SIMOX (0,2 pm à 5 nm près sur une tranche de 100 mm de diamètre), ce qui permet la fabrication de SLM.

Toutefois, les pertes optiques dans ce guide sont relativement élevées par couplage de la lumière guidée vers le substrat de silicium en raison de l'impossibilité de réaliser une couche de silice enterrée d'épaisseur supérieure à 0,46 pm par implantation d'oxygène. D'autre part, les pertes par diffusion de la lumière sur les dislocations (modérées en densité) du film dues à l'implantation et aux faibles défauts de planéité de l'interface avec la silice enterrée ne sont pas non plus négligeables.

Pour pallier ces inconvénients, on pourra utiliser avantageusement comme matériau SOI le matériau commercialisé par la Société SOITEC sous la dénomination
UNIBOND (marque déposée). Ce matériau contribue en effet efficacement à la réduction des pertes optiques tout en maintenant des tolérances d'uniformité d'épaisseur voisine de celle d'une structure SIMOX.

Ce nouveau matériau a en particulier été présenté dans la publication suivante
[3] SOI materials for ULSI applications", A.J.

Auberton Hervé, J.M. Lamure, T. Barge, M. Bruel, G. Aspar,
J.L. Pelloie, Semiconductor International, Oct. 1995, p. 97-104.

Les guides à confinement par dopage N+ et P+ qui ont été considérés dans la présentation du modulateur élémentaire bien que multimodes transverses (2 à 3 modes) ont des pertes acceptables que pour le mode fondamental car l'extension latérale des modes d'ordre supérieur est beaucoup plus grande dans les zones dopées que pour le mode fondamental. La limitation de la largeur de la facette gravée permet d'éliminer efficacement les modes d'ordre supérieur. L'opération de gravure du film de nitrure permet de réaliser avec les mêmes opérations des guides en arête chargés par un ruban de nitrure de largeur 1,5 ou 4 ym après ouverture de deux bandes latérales de largeur extrême 6 pm de part et d'autre du ruban.

L'oxydation localisée du film de silicium (de l'ordre de 10 nm de silicium consommé) permet un confinement quasi monomode transverse avec très peu de pertes pour le mode fondamental sur les régions dopées (distantes de 8 ym).

Avec cette structure guidante, les deux modes d'ordre supérieur sont des modes à fuites à pertes considérables dans les régions dopées. Ce type de guide est préféré au premier présenté.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Modulateur optique, caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur (1) en anneau, au moins un réseau (6a) pour le couplage d'un faisceau de lumière sur ledit résonateur (1) et un réseau pour son découplage (6b), ainsi que des moyens (2b, 2c) pour la commande de l'accord dudit résonateur.

2. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur (1) présente une structure à couche de silicium (2) sur isolant (4) formant guide d'onde optique.

3. Modulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le résonateur (1) comporte quatre miroirs réalisés par gravure de la couche de silicium (2) formant guide d'onde.

4. Modulateur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le confinement latéral est réalisé par un dopage N+ (2c) et un dopage P+ (2b) de la couche (2) de silicium formant guide d'onde.

5. Modulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le résonateur (1) est commandé par polarisation de la jonction P+NN+ ainsi définie.

6. Modulateur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il est commandé optiquement.

7. Modulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réseau de couplage (6a) est placé à l'extérieur du résonateur (1).

8. Modulateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un miroir métallique (8) est disposé au droit du réseau de couplage (6a).

9. Modulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens pour l'accord du résonateur comportent des moyens pour le réglage et la stabilisation de la température du substrat dudit composant.

10. Composant monolithique, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de modulateurs selon lune des revendications précédentes constituant une matrice de modulateurs spatiaux de lumière.