FR2844887A1 - Bragg grating manufacture in optical material uses proton exchange through mask to form regions of different refractive index - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne les composants électro-optiques et leursThe present invention relates to electro-optical components and their
procédés de fabrication.manufacturing processes.
Il est connu de réaliser un guide d'onde dans un substrat de LiNbO3 par It is known to produce a waveguide in a LiNbO3 substrate by
diffusion de titane ou par échange protonique. diffusion of titanium or by proton exchange.
Il a été proposé dans l'article " Integration of Bragg gratings on LiNbO3 It was proposed in the article "Integration of Bragg gratings on LiNbO3
channel waveguides using laser ablation ", Electron. Lett, vol. 37, n0 5 pp. 312-314, 2001, de fabriquer un réseau de Bragg au moyen d'un faisceau laser après formation du guide d'onde par échange protonique. L'ablation par laser n'est pas jugée complètement satisfaisante car il est relativement difficile d'obtenir avec cette technique une gravure 10 uniforme du substrat. channel waveguides using laser ablation ", Electron. Lett, vol. 37, no 5 pp. 312-314, 2001, to fabricate a Bragg grating using a laser beam after formation of the waveguide by proton exchange. L Laser ablation is not considered completely satisfactory since it is relatively difficult to obtain with this technique a uniform etching of the substrate.
L'article " Fabrication and characterization of titanium - indiffused protonexchanged optical waveguides in Y - LiNbO3 " Applied Optics, vol. 25, n0 9, 1986, décrit The article "Fabrication and characterization of titanium - indiffused protonexchanged optical waveguides in Y - LiNbO3" Applied Optics, vol. 25, no. 9, 1986, described
la fabrication d'un guide d'onde par diffusion de titane puis échange protonique. the manufacture of a waveguide by diffusion of titanium then proton exchange.
L'article tout aussi ancien " Proton - exchanged Fresnel Lenses in Ti: LiNbO3 15 waveguides " Applied Optics, vol. 25, n0 19, 1986, décrit la fabrication de lentilles de Fresnel par échange protonique dans un substrat de LiNbO3 dans lequel du titane a diffusé, au travers d'un masque de Si - N. Il existe un besoin pour disposer d'un procédé permettant de réaliser un réseau sur un guide d'onde en un matériau tel que par exemple du niobate de lithium ou du 20 tantalate de lithium, dans lequel on a fait diffuser un composé tel que du titane pour créer The equally old article "Proton - exchanged Fresnel Lenses in Ti: LiNbO3 15 waveguides" Applied Optics, vol. 25, n0 19, 1986, describes the fabrication of Fresnel lenses by proton exchange in a LiNbO3 substrate in which titanium has diffused, through an Si - N mask. There is a need for a process making it possible to produce an array on a waveguide of a material such as for example lithium niobate or lithium tantalate, in which a compound such as titanium has been diffused to create
un gradient d'indice.an index gradient.
L'invention a ainsi pour objet un procédé de fabrication d'un réseau de Bragg sur un guide d'onde en un matériau électro-optique, comportant les étapes suivantes: - réaliser un masque à la surface du guide, - effectuer un échange protonique au travers du masque pour former le reseau. Un tel procédé permet de réaliser avec flexibilité, simplicité et précision un réseau de Bragg. En particulier, l'invention peut permettre de réaliser le réseau en contrôlant entre autres, d'une manière relativement fine, la profondeur et la largeur des 30 traits du réseau et sa période, éventuellement variable. En effet, selon la durée de l'échange protonique et la température à laquelle il a lieu, on peut réaliser dans le guide d'onde des variations locales de l'indice de réfraction plus ou moins importantes et sur la profondeur souhaitée. Le guide d'onde peut être réalisé dans un matériau électro-optique tel que le niobate de lithium (LiNbO3) ou le tantalate de lithium (LiTaO3) ou dans d'autres matériaux électro-optiques encore, présentant les propriétés requises. Pour former le guide d'onde, on procède avantageusement à la diffusion d'un The subject of the invention is therefore a method of manufacturing a Bragg grating on a waveguide made of an electro-optical material, comprising the following steps: - producing a mask on the surface of the guide, - performing a proton exchange through the mask to form the network. Such a process allows flexibility, simplicity and precision to be achieved in a Bragg grating. In particular, the invention can make it possible to produce the network by controlling, inter alia, in a relatively fine manner, the depth and the width of the lines of the network and its period, possibly variable. In fact, depending on the duration of the proton exchange and the temperature at which it takes place, local variations of the refractive index can be produced to a greater or lesser extent and over the desired depth in the waveguide. The waveguide can be produced from an electro-optical material such as lithium niobate (LiNbO3) or lithium tantalate (LiTaO3) or from other electro-optical materials which have the required properties. To form the waveguide, it is advantageous to distribute a
élément dans le matériau électro-optique de façon à former le gradient d'indice souhaité. element in the electro-optical material so as to form the desired index gradient.
L'élément que l'on fait diffuser peut être du titane, par exemple. The element that is made to diffuse can be titanium, for example.
L'échange protonique peut s'effectuer par exemple en exposant le guide, à 10 travers le masque, à un bain d'acide benzoque pur ou à une solution d'acide benzoque et The proton exchange can be carried out for example by exposing the guide, through the mask, to a bath of pure benzoque acid or to a solution of benzoque acid and
de benzoate de lithium.lithium benzoate.
L'utilisation d'une solution d'acide benzoque et de benzoate de lithium est The use of a solution of benzoque acid and lithium benzoate is
préférée, car elle permet d'éviter une étape ultérieure de recuit du guide d'onde. preferred because it avoids a subsequent annealing step of the waveguide.
Le masque peut être détruit après l'échange protonique. The mask can be destroyed after the proton exchange.
De préférence, le masque est réalisé en silice (SiO2), car ce matériau résiste bien à l'environnement utilisé pour l'échange protonique tout en pouvant être facilement Preferably, the mask is made of silica (SiO2), because this material resists well to the environment used for proton exchange while being able to be easily
gravé avec le motif souhaité.engraved with the desired motif.
Pour réaliser le masque, on peut effectuer une photolithographie classique, c'est-à-dire qu'on recouvre le masque d'une couche de résine photosensible que l'on insole 20 au travers d'un autre masque comportant les ajours correspondant au motif à réaliser, cet To make the mask, a conventional photolithography can be carried out, that is to say that the mask is covered with a layer of photosensitive resin which is insulated through another mask comprising the openings corresponding to the reason to achieve, this
autre masque étant par exemple un masque de chrome. another mask being for example a chrome mask.
L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un composant électro-optique caractérisé par le fait qu'il comporte un guide d'onde en un matériau électro-optique incorporant un réseau de Bragg, ce dernier comportant une succession de 25 traits ayant des indices de réfraction différents, certains de ces traits ayant subi un échange protonique. Comme indiqué plus haut, le guide d'onde peut avoir été réalisé par diffusion d'un élément dans le matériau électro-optique, par exemple par diffusion de titane dans du Another subject of the invention is, according to another of its aspects, an electro-optical component characterized in that it comprises a waveguide made of an electro-optical material incorporating a Bragg grating, the latter comprising a succession 25 lines with different refractive indices, some of these lines having undergone proton exchange. As indicated above, the waveguide may have been produced by diffusion of an element in the electro-optical material, for example by diffusion of titanium in
niobate de lithium ou du tantalate de lithium. lithium niobate or lithium tantalate.
Le composant électro-optique peut être par exemple un filtre ou un réflecteur The electro-optical component can for example be a filter or a reflector
de Bragg.from Bragg.
Le composant électro-optique peut être utilisé, entre autres, dans un dispositif The electro-optical component can be used, among other things, in a device
d'insertion ou d'extraction d'une longueur d'onde. insertion or extraction of a wavelength.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va The invention will be better understood on reading the description which will
suivre, d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel: - les figures 1 à 6 illustrent différentes étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'un réseau de Bragg selon l'invention, - la figure 7 représente de manière schématique un dispositif d'extraction d'une longueur d'onde, et - la figure 8 représente de manière schématique un dispositif d'insertion follow, of a nonlimiting example of implementation, and on examination of the appended drawing, in which: - Figures 1 to 6 illustrate different stages of an example of a method of manufacturing a Bragg grating according to l invention, - Figure 7 shows schematically a wavelength extraction device, and - Figure 8 shows schematically an insertion device
d'une longueur d'onde.of a wavelength.
Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre sur un guide d'onde réalisé dans un matériau électro-optique, c'est-à-dire un matériau dont les propriétés optiques peuvent The method according to the invention is implemented on a waveguide made of an electro-optical material, that is to say a material whose optical properties can
être modifiées par application d'un champ électrique. be modified by applying an electric field.
Parmi les matériaux électro-optiques largement utilisés à l'heure actuelle et convenant à l'invention, on peut citer le niobate de lithium (LiNbO3) et le tantalate de Among the electro-optical materials widely used at present and suitable for the invention, mention may be made of lithium niobate (LiNbO3) and tantalate of
lithium (LiTaO3).lithium (LiTaO3).
Pour former le guide d'onde 1, on peut faire diffuser du titane dans le matériau To form waveguide 1, titanium can be diffused into the material
électro-optique, de façon conventionnelle. electro-optics, in a conventional manner.
La diffusion peut s'effectuer selon z, la propagation de la lumière s'effectuant The diffusion can be carried out according to z, the propagation of the light taking place
selon l'axe y, comme illustré sur la figure 1. along the y axis, as illustrated in Figure 1.
On va maintenant décrire en référence aux figures 2 à 6 les différentes étapes We will now describe with reference to Figures 2 to 6 the different stages
de fabrication du réseau sur le guide d'onde ainsi formé (Ti: LiNbO3). manufacturing the network on the waveguide thus formed (Ti: LiNbO3).
Une couche 3 de SiO2, d'épaisseur 2000 , est déposée comme illustré sur la 25 figure 2 sur le guide d'onde 1 en vue de la formation d'un masque par photolithographie. A layer 3 of SiO2, of thickness 2000, is deposited as illustrated in FIG. 2 on the waveguide 1 with a view to the formation of a mask by photolithography.
Le SiO2 est choisi pour ses excellentes propriétés de blocage de la diffusion des protons, sa bonne adhérence au matériau électro-optique et sa facilité de dépôt et de gravure. De plus, ce masque transparent permet une mesure approximative des propriétés SiO2 is chosen for its excellent properties for blocking the diffusion of protons, its good adhesion to the electro-optical material and its ease of deposition and etching. In addition, this transparent mask allows an approximate measurement of the properties
optiques du réseau avant son enlèvement. network optics before removal.
Une couche de résine photosensible 4 est ensuite déposée sur la couche 3 de SiO2, comme représenté à la figure 3, et cette couche de résine est insolée par exposition à une source UV au travers d'un masque 5 comportant des ajours correspondant au motif à A layer of photosensitive resin 4 is then deposited on the layer 3 of SiO 2, as shown in FIG. 3, and this layer of resin is exposed by exposure to a UV source through a mask 5 comprising openings corresponding to the pattern to
réaliser, comme illustré à la figure 4. carry out, as illustrated in figure 4.
Dans l'exemple considéré, le masque 5 est un masque de chrome. In the example considered, the mask 5 is a chrome mask.
On peut réaliser sur le masque 5 des fentes ayant un pas constant ou non, de l'ordre de 1,4 ptm par exemple. One can make on the mask 5 slots having a constant pitch or not, of the order of 1.4 ptm for example.
Après insolation, le masque de chrome 5 est retiré et la résine insolée éliminée. After exposure, the chromium 5 mask is removed and the exposed resin removed.
La couche 3 de SiO2 est alors gravée au travers de la résine résiduelle par The SiO2 layer 3 is then etched through the residual resin by
attaque chimique.chemical attack.
La résine est ensuite totalement éliminée et l'on obtient un masque 3 de SiO2 10 comme illustré sur la figure 5. The resin is then completely eliminated and a mask 3 of SiO 2 10 is obtained as illustrated in FIG. 5.
On expose alors les parties du guide d'onde 1 non recouvertes par la matière du masque 3 à un bain approprié pour réaliser l'échange protonique, par exemple un bain The parts of the waveguide 1 not covered by the material of the mask 3 are then exposed to a bath suitable for carrying out the proton exchange, for example a bath
d'acide benzoque mélangé à du benzoate de lithium. benzoque acid mixed with lithium benzoate.
Lors de l'échange protonique, l'indice de réfraction des régions non masquées 15 du guide d'onde 1 est modifié suite au remplacement des ions lithium Li+ par des protons During proton exchange, the refractive index of the unmasked regions 15 of the waveguide 1 is modified following the replacement of the lithium Li + ions by protons
H+ issus de la solution d'acide benzoque et de benzoate de lithium. H + from the solution of benzoque acid and lithium benzoate.
Ensuite, le masque 3 de SiO2 est éliminé. Then the mask 3 of SiO2 is eliminated.
Eventuellement, avant l'élimination du masque 3, on peut tester les propriétés Optionally, before removing mask 3, the properties can be tested
optiques du guide d'onde et, le cas échéant, procéder à un nouvel échange protonique. waveguide optics and, if necessary, carry out a new proton exchange.
On peut remplacer le mélange d'acide benzoque et de benzoate de lithium par de l'acide benzoque seul, le cas échéant, à condition de procéder ensuite à un recuit en The mixture of benzoque acid and lithium benzoate can be replaced by benzoque acid alone, if necessary, provided that the annealing is then carried out
présence d'air humide.presence of humid air.
L'échange protonique dans le cas de l'utilisation d'acide benzoque seul peut avoir lieu par exemple à une température comprise entre 150 et 230 'C pendant une durée 25 comprise entre une et quatre heures. Le recuit peut avoir lieu à des températures comprises The proton exchange in the case of the use of benzoque acid alone can take place for example at a temperature between 150 and 230 ° C for a period of between one and four hours. Annealing can take place at temperatures included
entre 250 et 400 'C pendant une durée comprise entre dix minutes et trois heures. between 250 and 400 ° C for a period of between ten minutes and three hours.
On peut réaliser, par exemple, un réseau qui s'étend sur une longueur 1, We can make, for example, a network that extends over a length 1,
mesurée dans le sens de la propagation de la lumière, comprise entre 200 jim et 3 mm. measured in the direction of light propagation, between 200 jim and 3 mm.
La profondeur h des traits 7 du réseau ayant subi l'échange protonique peut 30 être par exemple de l'ordre de 1,5 jim. The depth h of the lines 7 of the network having undergone proton exchange can for example be of the order of 1.5 µm.
ExemplesExamples
On a réalisé, avec le procédé précité, des réseaux de Bragg, dans un guide monomode, avec des périodes de 7,9 jim et 8,1 jtm. L'échange protonique a été réalisé dans de l'acide benzoque pendant deux heures à 210 'C, et suivi d'un recuit à 400 'C 5 pendant vingt minutes. On a recueilli le spectre de transmission d'un réseau ainsi réalisé de Bragg gratings were produced with the above method in a single-mode guide with periods of 7.9 jim and 8.1 jtm. The proton exchange was carried out in benzoque acid for two hours at 210 ° C, and followed by annealing at 400 ° C for twenty minutes. The transmission spectrum of a network thus produced has been collected.
2 mm de long, formant un réflecteur de Bragg d'ordre élevé. 2 mm long, forming a high order Bragg reflector.
L'accès aux réponses spectrales de ces réseaux de Bragg est obtenu au moyen d'une diode laser accordable en longueur d'onde polarisée linéairement et émettant dans une gamme comprise entre 1510 nm et 1590 nm. En avant du réseau, un polariseur est 10 placé de manière à sélectionner le mode TM. Les mesures de la puissance de la lumière sont effectuées en transmission. On en déduit une réflectivité de 25 % à la longueur d'onde de Bragg. Une bande passante à 3 dB d'approximativement 9 nm à la longueur d'onde de Access to the spectral responses of these Bragg gratings is obtained by means of a laser diode tunable in wavelength polarized linearly and emitting in a range between 1510 nm and 1590 nm. In front of the network, a polarizer is placed so as to select the TM mode. Light power measurements are made in transmission. We deduce a reflectivity of 25% at the Bragg wavelength. A 3 dB bandwidth of approximately 9 nm at the wavelength of
1558 nm a été obtenue.1558 nm was obtained.
Un autre réseau de 7,9 jim de période réalisé dans un guide d'onde Ti: 15 LiNbO3, obtenu par un échange protonique de trois heures à 230 'C et recuit à 400 'C pendant une heure et dix minutes, présente une réflectivité aussi élevée que 94 % à la Another network of 7.9 jim of period produced in a Ti: 15 LiNbO3 waveguide, obtained by a proton exchange of three hours at 230 'C and annealing at 400' C for one hour and ten minutes, has a reflectivity as high as 94% at the
longueur d'onde de 1546 nm.wavelength of 1546 nm.
L'invention permet de fabriquer aisément un réseau de Bragg en vue de réaliser un filtre ou un réflecteur de Bragg, lesquels peuvent être utilisés par exemple dans un 20 dispositif d'extraction d'une longueur d'onde, représenté schématiquement sur la figure 7 The invention makes it easy to manufacture a Bragg grating in order to produce a Bragg filter or reflector, which can be used for example in a wavelength extraction device, shown diagrammatically in FIG. 7
ou d'insertion d'une longueur d'onde, représenté schématiquement à la figure 8. or insertion of a wavelength, shown schematically in Figure 8.
Pour extraire une longueur d'onde XI d'un faisceau de lumière ayant différentes longueurs d'ondes XI, 12,.... X,, on envoie le faisceau dans un guide d'onde 10 comportant un réseau de Bragg 11 réalisé conformément à l'invention, configuré pour 25 réfléchir la longueur d'onde SI. Le faisceau de longueur d'onde XI est extrait du faisceau initial. Pour insérer une longueur d'onde Il dans un faisceau de lumière ayant des longueurs d'onde X2,..., In, on envoie ce faisceau sur le guide d'onde 13 au travers du réseau de Bragg 14. D'autre part, on envoie sur le réseau 14 le faisceau de longueur d'onde 30 Il. Le faisceau résultant comporte les longueurs d'onde XI, X2,..., Xn des deux faisceaux entrants. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. En particulier, parmi les applications des composants électro- optiques réalisés grâce à l'invention, on peut citer les filtres reconfigurables à bande-passante étroite et 5 étendue, la compensation de la dispersion dans les réseaux de télécommunications longue distance, les analyseurs de spectre, les lasers spéciaux à bande étroite, les capteurs optiques To extract a wavelength XI of a light beam having different wavelengths XI, 12, .... X ,, the beam is sent in a waveguide 10 comprising a Bragg grating 11 produced in accordance to the invention, configured to reflect the wavelength S1. The wavelength beam XI is extracted from the initial beam. To insert a wavelength Il in a light beam having wavelengths X2, ..., In, this beam is sent on the waveguide 13 through the Bragg grating 14. On the other hand , the wavelength beam 30 Il is sent over the network 14. The resulting beam has the wavelengths XI, X2, ..., Xn of the two incoming beams. Of course, the invention is not limited to the examples which have just been described. In particular, among the applications of the electro-optical components produced by means of the invention, there may be mentioned reconfigurable filters with narrow and wide bandwidth, compensation for dispersion in long-distance telecommunications networks, spectrum analyzers , special narrow-band lasers, optical sensors
de contraintes, cette liste n'étant pas limitative. constraints, this list is not exhaustive.
L'échange protonique peut être réalisé autrement encore que ce qui a été décrit The proton exchange can be carried out otherwise than what has been described
plus haut, en utilisant d'autres acides. above, using other acids.
Le masque de SiO2 peut être remplacé par un masque réalisé dans tout autre The SiO2 mask can be replaced by a mask made in any other
matériau approprié.suitable material.
Dans toute la description, y compris les revendications, l'expression Throughout the description, including the claims, the expression
" comportant un " doit être comprise comme étant synonyme de " comportant au moins "comprising a" should be understood as being synonymous with "comprising at least
un ", sauf si le contraire est spécifié. a ", unless otherwise specified.
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| ST | Notification of lapse |
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