FR2820217A1 - Structure en optique integree comportant dans un substrat au moins une portion de guide non enterree ainsi que son procede de realisation - Google Patents

Structure en optique integree comportant dans un substrat au moins une portion de guide non enterree ainsi que son procede de realisation Download PDF

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Abstract

Structure en optique intégrée comportant dans un substrat un guide optique présentant au moins une portion de guide non enterrée et sur la surface du substrat au moins un élément de recouvrement (5) situé au-dessus de la portion de guide non enterrée et apte à isoler dans ladite portion de guide, une onde lumineuse se propageant dans celui-ci.Application à des composants réalisés en optique intégrée tels que notamment des amplificateurs optiques, des multiplexeurs optiques, des diviseurs optiques, des coupleurs optiques.

Description

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STRUCTURE EN OPTIQUE INTEGREE COMPORTANT DANS UN SUBSTRAT AU MOINS UNE PORTION DE GUIDE NON ENTERREE
AINSI QUE SON PROCEDE DE REALISATION Domaine technique
La présente invention concerne une structure en optique intégrée comportant dans un substrat au moins une portion de guide non enterrée ainsi que son procédé de réalisation.
Elle s'applique à de nombreux composants réalisés en optique intégrée tels que notamment des amplificateurs optiques, des multiplexeurs optiques, des diviseurs optiques, des coupleurs optiques, et, de façon générale à tout composant utilisant au moins une portion de guide optique non enterrée.
Etat de la technique
Un guide optique se compose d'une partie centrale appelée généralement coeur et de milieux environnants situés tout autour du coeur et qui peuvent être identiques entre eux ou différents.
Pour permettre le confinement de la lumière dans le coeur, l'indice de réfraction du milieu composant le coeur doit être différent et dans la plupart des cas supérieure à ceux des milieux environnants.
Pour simplifier la description on assimilera le guide à sa partie centrale. Par ailleurs, on appellera tout ou partie des milieux environnants, substrat, étant bien entendu que lorsque le guide est pas ou peu enterré, un des milieux environnants peut être extérieur au substrat et être par exemple de l'air.
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Suivant le type de technique utilisé, le substrat peut être monocouche ou multicouches.
En outre, suivant les applications, un guide optique dans un substrat peut être plus ou moins enterré dans ce substrat et en particulier comporter des portions de guide enterrées à des profondeurs variables.
Ainsi par exemple dans certaines applications, les guides optiques d'une structure en optique intégrée, réalisés dans un substrat notamment par la technologie d'échange d'ions, doivent être en entrée et en sortie de la structure connectés à des fibres optiques. De ce fait, les guides d'onde au moins en entrée et en sortie doivent présenter un mode de propagation de la lumière proche respectivement de celui de la fibre qui doit lui être associée. Or ce mode de propagation est souvent, relativement peu confiné.
Un faible confinement ne permet pas, par ailleurs, de réaliser des guides optiques courbes, avec des rayons de courbure typiquement inférieurs à 20 mm, ce qui peut être pénalisant sur le plan de l'encombrement du composant.
Pour obtenir de faibles rayons de courbure, il faut donc augmenter le confinement latéral des guides.
Pour concilier ces contraintes, il est connu de réaliser des guides présentant : - d'une part des portions de guides au moins en entrée et en sortie à faible confinement, ces portions ont une largeur adaptée à celle des fibres et sont donc
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enterrées dans la technologie de réalisation de guides par échange d'ions, - et d'autre part des portions de guides à fort confinement adapté à la réalisation de faible rayon de courbure et qui sont donc dans cette technologie au voisinage de la surface du substrat.
Les guides situés au voisinage de la surface sont mal protégés de l'environnement et présentent des pertes optiques qui peuvent être élevées et qui peuvent évoluer dans le temps à cause de pollution sur la surface du substrat.
Par ailleurs, l'utilisation d'une couche de protection sur le substrat pour protéger la structure de l'environnement induirait des contraintes mécaniques sur celle-ci (à cause en particulier de problèmes de coefficients de dilatation thermique différents) et nuire à sa fonctionnalité. Ces contraintes pourraient notamment créer des effets de biréfringence qui sont préjudiciables pour certaines applications.
Exposé de l'invention et brève description des figures
L'invention concerne une structure en optique intégrée comportant dans un substrat au moins une portion de guide non enterrée qui est isolée de l'environnement par des moyens qui n'induisent pas ou peu de contraintes mécaniques sur la structure.
On entend dans la présente invention par"non enterré"un guide situé au voisinage de la surface du substrat, c'est-à-dire que l'épaisseur de matériau séparant le coeur, de la surface du substrat est soit nulle, soit insuffisante pour éviter les pertes
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optiques, par exemple par onde évanescente associée à un mode de propagation de l'onde lumineuse dans le guide.
De façon plus précise, l'invention a pour objet une structure en optique intégrée comportant dans un substrat un guide optique présentant au moins une portion de guide non enterrée ; elle est caractérisée en ce qu'elle comprend en outre sur la surface du substrat au moins un élément de recouvrement au-dessus de la portion de guide non enterrée apte à isoler dans ladite portion de guide, une onde lumineuse se propageant dans celui-ci.
La structure de l'invention comporte plusieurs portions de guides non enterrées, chaque portion est associée à un élément de recouvrement.
L'utilisation d'éléments de recouvrement au moins sur les portions non enterrées des guides permet d'isoler celles-ci de l'extérieure et d'éviter des pertes optiques.
Ces éléments de recouvrement permettent donc d'avoir des structures présentant des guides à fort confinement puisque ce type de guide ne peut être enterré et de ce fait permettent d'avoir des guides courbes et notamment à faibles rayons de courbure.
Par ailleurs, le fait de limiter le recouvrement par des éléments disposés sur les portions non enterrées des guides permet par ailleurs de minimiser l'apparition d'effets parasites tels que des contraintes mécaniques qui pourraient nuire notamment à la fonctionnalité de la structure.
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Selon un mode de réalisation, le guide comporte au moins une portion de guide non enterrée et au moins une portion de guide enterrée, l'élément de recouvrement étant situé au-dessus des portions de guide enterrée et non enterrée. Dans ce mode également, le recouvrement est limité puisqu'il n'est pas réalisé sur l'ensemble du substrat.
L'élément de recouvrement présente une épaisseur Wp au moins égale à l'épaisseur minimum Wm nécessaire pour qu'une onde évanescente associée à l'onde lumineuse guidée dans ladite portion ne puisse sortir de la structure.
L'élément de recouvrement est mono ou multicouches ; le ou les indices de réfraction sont tels qu'une onde évanescente associée à l'onde lumineuse guidée dans ladite portion ne puisse sortir de la structure. De façon plus précise, les indices de réfraction sont respectivement inférieurs au plus petit des indices effectifs des modes de propagation pouvant être guidés dans ladite portion non enterrée et de préférence inférieurs à l'indice de réfraction maximum du substrat.
L'élément de recouvrement est choisi par exemple parmi de la silice, ou un verre d'indice approprié.
L'élément de recouvrement présente une largeur Lp telle qu'une onde évanescente associée à l'onde lumineuse guidée dans ladite portion ne puisse sortir de la structure. De façon plus précise, elle est supérieure ou égale à la largeur du mode de propagation le plus large des modes pouvant se propager dans ladite portion de guide non enterrée.
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La largeur Lp peut être soit constante soit variable. Notamment, lorsque des éléments de recouvrement recouvrent aussi bien les portions enterrées et non enterrées du guide, alors la largeur de ces éléments peut suivre la largeur des modes guidés dans les portions de guide correspondantes ou être supérieure à la largeur du mode dans le guide le moins confiné.
L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une structure en optique intégrée comportant dans un substrat un guide optique présentant au moins une portion de guide non enterrée et sur la surface du substrat au moins un élément de recouvrement au-dessus de la portion de guide non enterrée ce procédé comportant les étapes suivantes : A) réalisation dans un substrat d'au moins un guide d'onde avec au moins une portion de guide non enterrée, B) formation au-dessus de la portion non enterrée de l'élément de recouvrement
L'étape B) comporte le dépôt sur le substrat d'une couche de recouvrement puis la réalisation sur cette couche, d'un masque protégeant la ou les portions de guide à recouvrir, la gravure de la couche de recouvrement à travers le masque de façon à obtenir le ou les éléments de recouvrement.
Le masque est généralement enlevé mais il peut bien entendu être conservé dans certains cas.
Selon un mode de réalisation, le dépôt de la couche de recouvrement est réalisé par pulvérisation cathodique ou évaporation sous vide.
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Selon un exemple de réalisation, l'étape A) comporte la formation dans un substrat de verre d'un guide d'onde par échange ionique, la rediffusion localisée de ce guide de façon à enterrer au moins une portion de guide, la portion de guide non enterrée étant à plus fort confinement que la portion enterrée.
Cette rediffusion peut être obtenue classiquement par un masquage métallique et application d'un champ électrique de part et d'autre de la portion à enterrer.
Cette rediffusion dans le substrat est réalisée de façon à assurer la fonctionnalité désirée du composant dans la ou les portions considérées. Par exemple, elle est mise en oeuvre pour optimiser le couplage avec des fibres optiques d'entrée et\ou de sortie.
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière la description qui va suivre. Cette description porte sur des exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif. Elle se réfère par ailleurs à des dessins annexés sur lesquels : - les figures la, lb, lc représentent de façon schématique, différentes étapes d'un mode de réalisation d'une structure de l'invention, - la figure 2 représente de façon schématique et en perspective, une première variante de la structure de l'invention.
- la figure 3 représente de façon schématique et en perspective, une seconde variante de la structure de l'invention.
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Exposé détaillé de modes de réalisation
La figure la représente de façon schématique une première étape de réalisation d'une structure en optique intégrée selon l'invention.
Dans un substrat par exemple en verre, on réalise à travers un masque (non représenté) par la technique connue d'échange d'ions un guide d'onde. Le guide d'onde 1 représenté sur cette figure est non enterré, il est parallèle au plan défini par la surface du substrat et comprend des parties droites la et des parties courbes lb.
Pour permettre la réalisation de guide à faibles rayons de courbure et obtenir notamment des composants à faible encombrement, ce guide d'onde non enterré, présente de préférence un confinement important.
Après réalisation de ce guide, le procédé de l'invention consiste à faire diffuser localement sous champ électrique des portions du guide afin d'enterrer celles-ci.
Un exemple de réalisation d'enterrage partiel d'un guide est illustré notamment dans le brevet US-5 708 750.
La figure lb représente la structure à l'issu de cette opération. Le masque (non représenté) utilisé pour réaliser la diffusion est de préférence éliminé à la fin de cette opération. Il peut être cependant dans certain cas de figures, enlevé ultérieurement ou même conservé au-dessus des guides pour faire partie des éléments de recouvrement.
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Sur la figure Ib, on voit donc des zones Ze de la structure comportant les portions de guides droits la qui sont enterrées dans le substrat et une zone Zne de la structure comportant la portion de guide non enterrée, cette portion comportant les guides courbes
Figure img00090001

lb.
Entre les portions de guides enterrées et non enterrées, il existe des zones de transition Zt ; la partie de ces zones dans laquelle l'épaisseur de matériau séparant le coeur du guide, de la surface du substrat est soit nulle, soit insuffisante pour éviter les pertes optiques, est considérée faisant partie de la portion de guide non enterrée ; et la partie de ces zones dans laquelle ladite épaisseur est suffisante pour éviter les pertes optiques est considérée comme enterrée.
Dans cet exemple de réalisation, on a représenté une seule portion de guide non enterrée, mais bien entendu on aurait pu avoir un guide avec plusieurs portions de guide non-enterrées séparant par exemple respectivement deux parties de guides courbes.
La figure lc illustre la réalisation d'une couche de recouvrement 3 sur la structure.
Cette couche est mono ou multicouches et par exemple en silice ou en verre d'indice de réfraction adapté comme on l'a vu précédemment pour qu'une onde évanescente associée à l'onde lumineuse guidée dans ladite portion ne puisse sortir de la structure ; cette couche est déposée par pulvérisation cathodique ou évaporation sous vide.
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Par ailleurs, l'épaisseur Wp de cette couche est choisie de façon que l'onde évanescente associée au mode guidé dans la portion non enterrée ne puisse voir le milieu situé au-dessus de la couche.
Cette épaisseur sera comprise généralement, typiquement entre 0,3 et 5 pm.
Après réalisation de la couche de recouvrement, le ou les éléments de recouvrement sont alors réalisés.
Plusieurs modes de mise en oeuvre sont envisageables.
Selon un premier mode représenté sur la figure 2, la couche de recouvrement 3 est gravée de façon à ne laisser subsister qu'un élément de recouvrement 5 situé au-dessus de l'ensemble du guide aussi bien dans sa portion non enterrée que dans sa portion enterrée. La largeur Lp de l'élément de recouvrement doit être supérieure ou égale à une largeur minimum déterminée pour que l'onde évanescente associée au mode guidé dans la portion non enterrée de la structure ne puisse voir le milieu situé au-dessus dudit élément. Cette largeur peut être constante comme représentée ou variable.
Selon un deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 3, la couche de recouvrement 3 est gravée de façon à ne laisser subsister qu'un élément de recouvrement 7 situé uniquement au-dessus de la portion de guide non enterrée.
Les caractéristiques de cet élément sont les mêmes que pour celui de la figure 2.
Pour graver l'élément de recouvrement aussi bien dans l'exemple de la figure 2 que celui de la figure 3, on réalise sur la couche de recouvrement par exemple un masque de résine que l'on insole et que l'on développe
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selon les techniques classiques de la microélectronique de façon à obtenir un motif correspondant à l'élément de recouvrement que l'on veut obtenir. Puis on grave, la couche de recouvrement à travers ce masque par exemple par une gravure du type usinage ionique ou gravure chimique pour une couche en silice. Le masque est ensuite généralement éliminé à moins qu'il ne gêne pas la structure.
Selon un autre exemple de réalisation, si le guide de la structure est complètement non enterré, alors l'élément de recouvrement est du type de celui représenté figure 2, c'est-à-dire qu'il est au-dessus du guide et suit le même cheminement.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS 1. Structure en optique intégrée comportant dans un substrat un guide optique (1) présentant au moins une portion de guide non enterrée (lob), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre sur la surface du substrat au moins un élément de recouvrement (5,7) situé audessus de la portion de guide non enterrée et apte à isoler dans ladite portion de guide, une onde lumineuse se propageant dans celui-ci.
  2. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le guide comporte plusieurs portions de guide non enterrées, chaque portion étant associée à un élément de recouvrement.
  3. 3. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le guide comporte au moins une portion guide non enterrée (lob) et au moins une portion de guide enterrée (la), l'élément de recouvrement étant situé au-dessus des portions de guide enterrée et non-enterrée.
  4. 4. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'élément de recouvrement présente une épaisseur Wp au moins égale à l'épaisseur minimum Wm nécessaire pour qu'une onde évanescente associée à l'onde lumineuse guidée dans ladite portion de guide non enterrée ne puisse sortir de la structure.
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  5. 5. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'élément de recouvrement est mono ou multicouches et le ou les indices de réfraction sont respectivement inférieurs au plus petit des indices effectifs des modes de propagation pouvant être guidés dans ladite portion non enterrée.
  6. 6. Structure selon la revendications 5, caractérisée en ce que l'indice de réfraction de l'élément de recouvrement est inférieur à l'indice de réfraction maximum du substrat.
  7. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'élément de recouvrement présente une largeur Lp supérieure ou égale à la largeur du mode de propagation le plus large pouvant se propager dans ladite portion de guide non enterrée.
  8. 8. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'élément de recouvrement est choisi parmi de la silice, un verre d'indice approprié.
  9. 9. Procédé de réalisation d'une structure en optique intégrée comportant dans un substrat un guide optique (1) présentant au moins une portion de guide non enterrée (lob) et sur la surface du substrat au moins un élément de recouvrement (5,7) au-dessus de la
    <Desc/Clms Page number 14>
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape B) comporte le dépôt sur le substrat d'une couche de recouvrement (3) puis la réalisation sur cette couche, d'un masque protégeant la ou les portions de guide à recouvrir, la gravure de la couche de recouvrement à travers le masque de façon à obtenir le ou les éléments de recouvrement.
    portion de guide non enterrée ; ce procédé comportant les étapes suivantes : A) réalisation dans un substrat d'au moins un guide d'onde avec au moins une portion de guide non enterrée, B) formation au-dessus de la portion non enterrée de l'élément de recouvrement
  11. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le dépôt de la couche de recouvrement est réalisé par pulvérisation cathodique ou évaporation sous vide.
  12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 11, caractérisé en ce l'étape A) comporte la formation dans un substrat de verre d'un guide d'onde par échange ionique, la rediffusion localisée de ce guide de façon à enterrer au moins une portion de guide.
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