FR2845775A1 - Optical telecommunication interconnections high contrast refraction index optical guide having central section surrounded outer sections lower refractive index and intermediate layer having refractive index between center/outer layers - Google Patents

Optical telecommunication interconnections high contrast refraction index optical guide having central section surrounded outer sections lower refractive index and intermediate layer having refractive index between center/outer layers Download PDF

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Abstract

The optical guide has a center (12) with side sections. There are first and second holding layers (14,16) outside the center having lower refractive indices than the center. There is an intermediate layer (18) between the two outer layers and round the center with a refractive index above the central refractive index and lower than the outer refractive index.

Description

GUIDE D'ONDE OPTIQUE, A FORT CONTRASTE D'INDICE ET A WAVEGUIDE OPTICAL FORT INDEX AND CONTRAST

PERTES PAR RUGOSITE REDUITES, ET PROCEDE DE FABRICATION DE CE GUIDE LOSSES REDUCED ROUGHNESS, AND METHOD OF MANUFACTURING GUIDE

DESCRIPTION DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE TECHNICAL AREA

La présente invention concerne le domaine de l'optique intégrée et, plus particulièrement, les guides d'ondes optiques à fort écart, ou contraste, 10 d'indice de réfraction, ainsi que la fabrication de The present invention relates to the field of integrated optics and, more particularly, optical waveguides with high deviation, or contrast, 10 of refractive index, as well as the manufacture of

tels guides d'ondes. such waveguides.

L'invention concerne plus précisément un guide d'onde optique à fort contraste d'indice de réfraction, ce guide d'onde ayant en outre des pertes 15 par rugosité réduites, ainsi qu'un procédé de The invention relates more precisely an optical waveguide with high contrast in refractive index, said waveguide further having losses 15 by reduced roughness, and a method of

fabrication de ce guide d'onde. manufacture of this waveguide.

L'invention s'applique notamment aux interconnexions optiques, aux connexions optiques intra-puces ("intra-chip"), aux télécommunications 20 optiques ainsi qu'aux capteurs optiques intégrés et, The invention applies in particular to optical interconnects, optical connections intra-chips ( "intra-chip"), 20 to optical telecommunications and to integrated optical sensors and,

plus généralement, au domaine de l'optique intégrée o les différences d'indice entre coeur ("core") et gaine optique ("optical cladding") sont suffisamment grandes pour rendre les pertes optiques par rugosité non 25 négligeables. more generally, to the field of integrated optics o index differences between the core ( "core") and optical sheath ( "optical cladding") are large enough to make the optical losses by 25 non negligible roughness.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE STATE OF THE ART

On se reportera aux documents suivants Refer to the following documents

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[1] RV Ramaswamy, R. Srivastava: "Ionexchanged glass waveguides: a review", J. of Light. [1] RV Ramaswamy, R. Srivastava: "Ionexchanged glass waveguides: a review", J. of Light.

Tech., 6, p. Tech., 6, p. 984-1002, 1988 [2] D. Marcuse: "Light Transmission 5 Optics", Bell Lab Series, Van Nostrand Reinhold Company, p. 984-1002, 1988. [2] D. Marcuse: "Light Transmission 5 Optics" Bell Lab Series, Van Nostrand Reinhold Company, p. 3187-3215: "Mode concersion caused by surface imperfections of a dielectrie slab waveguide" [3] KK Lee & al.: "Fabrication of ultralow-loss Si/Sio2 waveguides by roughness 10 reduction", Optics Letters, vol. 3187-3215: "Fashion concersion Caused by surface imperfections of a slab waveguide dielectrie" [3] KK Lee et al .: "Fabrication of ultralow-loss Si / SiO2 waveguides roughness by 10 reduction", Optics Letters, Vol. 26, n 23, ler décembre 26, No. 23, I December

2001, p. 2001, p. 1888-1890. 1888-1890.

Dans le domaine de l'optique intégrée comme dans celui de la microélectronique, la recherche de l'intégration maximale est extrêmement importante, car 15 les dimensions des dispositifs obtenus influent de In the field of integrated optics as in the microelectronics, seeking maximum integration is extremely important, as 15 dimensions of devices obtained influential

manière directe sur leur cot de fabrication. directly on their cost of manufacture.

Le domaine de l'optique intégrée a connu un premier essor avec le développement des télécommunications optiques. The field of integrated optics was a first boom with the development of optical telecommunications. La priorité était alors de 20 fabriquer des dispositifs optiques intégrés qui soient compatibles avec les fibres optiques utilisées, ce qui avait une incidence directe sur le choix des matériaux employés (par exemple la silice ou le verre) et sur les Priority was then 20 manufacturing integrated optical devices which are compatible with the optical fibers used, which had a direct impact on the choice of the materials used (e.g. silica or glass) and the

géométries utilisées pour les guides d'ondes. geometries used for waveguides.

L'inconvénient majeur de telles structures The major disadvantage of such structures

est qu'il est très difficile de faire prendre à la lumière des "virages très serrés" (ayant typiquement des rayons de courbure de l'ordre de quelques millimètres). is that it is very difficult to take in light of the "tight corners" (typically having the order of a few millimeters radii). Ceci impose la réalisation de dispositifs 30 de taille importante (plusieurs centimètres carrés). This requires the production of devices 30 of large size (several square centimeters).

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Par exemple, les multiplexeurs/démultiplexeurs de longueurs d'ondes, fabriqués en utilisant la technologie "silice sur silicium", dépassent une dizaine de centimètres carrés, ce qui les rend onéreux. For example, the multiplexer / demultiplexer of wavelengths, manufactured using technology "silica on silicon," exceed about ten square centimeters, which makes them expensive. Deux grands types de guides d'ondes optiques existent dans le domaine de l'optique intégrée: - les guides à saut d'indice (voir la 10 figure lA) - les guides à gradient d'indice (voir la Two major types of optical waveguides exist in the field of integrated optics - step index guides (see figure 10 lA) - GRIN guides (see

figure 1B). Figure 1B).

Le coeur 2 d'un guide à saut d'indice, vu en coupe transversale, est délimité par des interfaces qui 15 le séparent de deux matériaux 4 et 6 ou éventuellement de deux zones d'un même matériau, présentant des dopages différents. The core 2 of a step-index guide, seen in cross section, is delimited by interfaces 15 that separate the two materials 4 and 6 or possibly two zones of the same material having different doping. La répartition d'indice dans cette The index distribution in this

coupe transversale présente des discontinuités. cross-section has discontinuities.

Ces guides à saut d'indice sont 20 généralement obtenus par des dépôts et des gravures de These step index 20 guides are generally obtained by deposits and engravings

couches minces diélectriques sur un substrat. thin dielectric layers on a substrate.

Dans un guide à gradient d'indice, vu en coupe transversale, la fonction de répartition d'indice est continue lorsque l'on passe du coeur 8 à la gaine 10 25 du guide. In a graded index guide, seen in cross section, the index distribution function is continuous when moving the core 8 to the sheath 10 25 of the guide. Il n'existe pas de discontinuités d'indice There is no index discontinuities

dans de tels guides. in such guides.

Ces guides peuvent être par exemple formés par diffusion ionique sur un substrat de verre qui est These guides can be formed for example by ion diffusion on a glass substrate which is

plongé dans un sel fondu (voir le document [1]). immersed in a molten salt (see document [1]).

Ces deux types de guides ont chacun leurs These two types of guides have their

avantages et leurs inconvénients. advantages and disadvantages.

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Le principal avantage des guides à gradient d'indice est qu'ils ne présentent pas d'interface donc The main advantage of gradient index guides is that they do not present thus interface

pas de pertes par rugosité de surface. no losses by surface roughness.

Leur principal inconvénient est que l'écart 5 d'indice qu'ils permettent d'atteindre reste assez faible (quelques centièmes à un dixième) et ne peut atteindre ceux que l'on observe par exemple dans les Their main disadvantage is that the gap 5 index they achieve remains quite low (a few hundredths to a tenth) and can reach out to those that for example is observed in the

guides faits de silicium entouré de silice. guides made of silicon surrounded silica.

Or, la manière la plus sre de réduire la 10 taille des dispositifs optiques intégrés consiste à utiliser des structures à très fort écart d'indice entre le coeur et la gaine. However, the most sre way to reduce the size 10 of the integrated optical devices involves the use of structures with a very high index difference between the core and the sheath. Dans ce cas, les rayons de courbure possibles passent de quelques millimètres à quelques micromètres. In this case, the possible bending radii spend a few millimeters to a few micrometers. On peut alors espérer fabriquer 15 des puces optiques occupant une surface de l'ordre du then hopefully produce optical chips 15 occupying an area of ​​the order of

millimètre carré. square millimeter.

Cependant, les guides optiques à très fort écart d'indice ont un inconvénient majeur: ils présentent beaucoup de pertes par diffusion optique du 20 fait de la rugosité des interfaces entre le coeur et la However, the optical waveguides with very high index difference have a major drawback: they show much loss by optical scattering 20 due to the roughness of the interfaces between the core and the

gaine de tels guides. sheath such guides.

A titre indicatif, on sait que les pertes P par rugosité à une interface d'un guide plan sont notamment proportionnelles au carré de la différence 25 des carrés des indices de réfraction respectifs n1 et n2 des matériaux situés de part et d'utre de cette interface (voir le document [2]): P=K(n2 _n)2 Dans le cas d'une fibre optique ou d'un 30 guide intégré en silice dopée ou en verre, ni et n2 As an indication, it is known that the loss P by roughness at an interface of a plane guide include proportional to the square of the difference of the squares 25 of the respective refractive indices n1 and n2 of the materials located on either ther this interface (see document [2]): P = K (n2 _n) 2 in the case of an optical fiber or an integrated guide 30 of doped silica or glass, ni and n2

valent respectivement 1,46 et 1,45. valent 1.46 and 1.45 respectively.

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En conséquence (n-n72)2 est peu différent de Consequently (n-n72) 2 is slightly different from

8, 5x10 4. 8, 5x10 4.

Au contraire, dans le cas d'un guide en silicium entouré de silice, ni et n2 valent respectivement 3,45 et 1,45. On the contrary, in the case of a silicon guide surrounded by silica, ni and n2 are respectively 3.45 and 1.45. En conséquence (n2-n2)2 est peu différent de 96. Par rapport au cas précédent, les pertes augmentent Consequently (n2-n2) 2 is little different from 96. Compared to the previous cases, the losses increase

donc d'environ 5 ordres de grandeurs. therefore approximately 5 orders of magnitude.

Cet exemple met en évidence le gros 10 inconvénient des guides à fort écart d'indice. This example highlights the big disadvantage of 10 guides high index difference.

Des recherches ont bien entendu été menées pour réduire cette rugosité, en améliorant sans cesse les procédés de fabrication, notamment les procédés de Research has obviously been done to reduce this roughness, by continuously improving manufacturing processes, including processes

photolithographie et de gravure des guides. photolithography and etching of the guides.

Par exemple, d'après le document [3], des guides en silicium sont fabriqués par photolithographie et gravure puis subissent une étape d'oxydation puis une étape de désoxydation (en fait une étape de gravure d'oxyde généralement dans un bain de FH/FHN4), ce qui a 20 pour effet de réduire la rugosité. For example, from document [3], silicon guides are manufactured by photolithography and etching and then undergo an oxidation step and then a deoxidation step (actually an oxide etching step generally in a bath of FH / HLF4), which has 20 to reduce the roughness. Cependant cette However this

réduction a lieu au détriment des dimensions du guide. reduction occurs at the expense of the dimensions of the guide.

Une autre manière connue de réduire les pertes par rugosité consiste à former les guides par gravure chimique selon les plans cristallins du 25 matériau constitutif de ces guides. Another known way of reducing losses roughness comprises forming guides by chemical etching according to the crystalline planes of the 25 constituent material of the guides. On peut par exemple It is for example

utiliser du NH40H pour graver le silicium. use NH40H to etch the silicon.

Cependant, on est alors grandement limité However, it is then greatly limited

par le fait que, d'une part, le matériau doit être cristallin et que, d'autre part, les guides doivent 30 être dessinés dans la direction des plans cristallins. that, firstly, the material must be crystalline and, secondly, the 30 guides should be drawn in the direction of the crystal planes.

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Il n'est alors plus possible d'envisager des parties It is no longer possible to consider parts

courbes pour ces guides. curves for these guides.

Le problème principal lié à la réduction de la rugosité par oxydation/désoxydation du silicium est 5 double. The main problem related to the reduction of the roughness by oxidation / deoxidation of silicon is 5 double. D'une part, cette solution ne s'applique qu'au silicium et donc pas aux autres matériaux à fort écart On the one hand, this solution applies only to silicon and therefore not to other materials with high gap

d'indice comme les matériaux III-V. index such as III-V materials.

D'autre part, cette solution entraîne une importante perte de cote pour les guides. Moreover, this solution results in substantial loss rating for the guides. D'après le 10 document [31, l'épaisseur d'un guide passe de 0, 35Lm à 0,05gm. According to the document 10 [31, the thickness of a guide from 0, to 35lm 0,05gm. Une légère perte de cote pourrait être facilement prise en compte lors de la conception du guide, mais une perte de cote de cette ampleur rend 15 très délicate, voire impossible, la fabrication de certains dispositifs, par exemple des coupleurs de proximité dans lesquels on doit former deux guides A slight loss rating could easily be taken into account when designing the guide, but a loss rating of this size makes 15 very difficult or impossible to manufacture certain devices, such as proximity couplers in which one must form two guides

colinéaires et très proches l'un de l'autre. collinear and very close to one another.

La solution préconisée dans le document [31 20 ne s'applique donc qu'à certains dispositifs. The solution recommended in [31 20 therefore applies only to certain devices.

Dans le cas de la réduction des pertes par In the case of reduced losses

rugosité au moyen d'une gravure chimique, on est grandement limité par le fait que les guides doivent s'étendre suivant quelques directions privilégiées, 25 sans qu'il soit possible de former des parties courbes. roughness by means of chemical etching, it is greatly limited by the fact that the guides must extend along some preferred directions, 25 without it being possible to form curved portions.

EXPOS DE L'INVENTION EXHIBITIONS OF THE INVENTION

La présente invention a pour but de The present invention aims to

remédier aux inconvénients précédents. obviating the aforementioned disadvantages.

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Elle propose un guide d'onde optique à fort écart d'indice de réfraction, dont les pertes par rugosité sont toutefois plus faibles que celles des It offers an optical waveguide high standard refractive index, whose roughness losses, however, are lower than those of

guides à fort écart d'indice connus. high standard of known index guides.

L'invention propose aussi un procédé de The invention also provides a method of

fabrication d'un tel guide. manufacturing such a guide.

De façon précise, la présente invention a pour objet un guide d'onde optique comprenant: - un coeur qui a un indice de réfraction Na, 10 ce coeur ayant des flancs, et - des première et deuxième couches de confinement entre lesquelles se trouve le coeur et qui ont respectivement des indices de réfraction Ni et N2, ces indices de réfraction Ni et N2 étant inférieurs à 15 l'indice de réfraction Nc du coeur, ce guide d'onde optique étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une couche intermédiaire qui s'étend au moins le long des flancs du coeur, entre ce coeur et la première couche de 20 confinement, et qui a un indice de réfraction N3, cet indice de réfraction N3 étant inférieur à Nc et Specifically, the present invention relates to an optical waveguide comprising: - a core having a refractive index Na, this core 10 having flanks, and - first and second cladding layers between which the location heart and which respectively have refractive indices Ni and N2, the refractive indices being Ni and N2 less than 15 the refractive index Nc of the core, said optical waveguide being characterized in that it further comprises at least one intermediate layer extending at least along the middle of the sides, between said core and the first layer 20 of containment, and which has a refractive index N3, N3 this refractive index is less than Nc and

supérieur à Ni. greater than Ni.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le coeur est formé sur la deuxième couche 25 de confinement, ce guide d'onde optique étant ainsi un According to a preferred embodiment of the invention, the core is formed on the second layer 25 of containment, this optical waveguide thus being a

guide d'onde optique à saut d'indice. optical waveguide index step.

Selon un premier mode de réalisation particulier du guide d'onde optique objet de l'invention, la couche intermédiaire s'étend le long du 30 coeur, entre ce coeur et la première couche de In a first particular embodiment of the optical waveguide according to the invention, the intermediate layer extends along the core 30, between the core and the first layer of

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confinement, et sépare ainsi totalement le coeur de la containment, and thus totally separates the core of the

première couche de confinement. first confinement layer.

Selon un deuxième mode de réalisation particulier, la couche intermédiaire s'étend seulement 5 le long des flancs du coeur, entre ce coeur et la In a second particular embodiment, the intermediate layer 5 extends only along the middle of the flanks, between said core and

première couche de confinement. first confinement layer.

Le guide d'onde optique objet de The optical waveguide object

l'invention peut comprendre une pluralité de couches intermédiaires dont les indices de réfraction 10 respectifs vont en décroissant à partir du coeur. the invention may comprise a plurality of intermediate layers whose respective refractive indices 10 are descending from the heart.

La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un guide d'onde optique, ce guide d'onde optique comprenant: - un coeur qui a un indice de réfraction Nc, 15 ce coeur ayant des flancs, et - des première et deuxième couches de confinement entre lesquelles se trouve le coeur et qui ont respectivement des indices de réfraction NI et N2, ces indices de réfraction NI et N2 étant inférieurs à 20 l'indice de réfraction Nc du coeur, ce procédé étant caractérisé en ce que - on forme le coeur, - on forme au moins une couche intermédiaire sur le coeur, cette couche intermédiaire 25 s'étendant au moins le long des flancs du coeur et ayant un indice de réfraction N3, cet indice de réfraction N3 étant inférieur à Nc et supérieur à NI, et - on forme la première couche de confinement. The present invention also relates to a method of manufacturing an optical waveguide, said optical waveguide comprising: - a core having a refractive index Nc, the core 15 having flanks, and - first and second confinement layers between which the core and which have refractive indices NI and N2 respectively, the NI and N2 refractive indices being less than 20 the refractive index Nc of the core, this process being characterized in that - forming the core, - forming at least one intermediate layer on the core, the intermediate layer 25 extending at least along the sidewalls of the core and having a refractive index N3, N3 this refractive index is less than Nc and superior to NI, and - forming the first confinement layer. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, on forme le coeur sur la According to a preferred implementation of the method object of the invention is formed on the core

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deuxième couche de confinement, le guide d'onde optique second confinement layer, the optical waveguide

étant ainsi un guide d'onde optique à saut d'indice. thus being an optical waveguide index step.

Selon un premier mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, on forme 5 la couche intermédiaire le long du coeur, entre ce coeur et la première couche de confinement, de manière à séparer totalement le coeur de la première couche de confinement. In a first specific implementation of the object of the invention, forming the intermediate layer 5 along the core, between the core and the first confinement layer, so as to completely separate the heart of the first layer containment. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre 10 particulier, on forme la couche intermédiaire seulement le long des flancs du coeur, entre ce coeur et la According to a second implement particular 10 embodiment, the intermediate layer is formed only along the sides of the heart, between the core and the

première couche de confinement. first confinement layer.

Dans le procédé objet de l'invention, on peut former une pluralité de couches intermédiaires 15 dont les indices de réfraction respectifs vont en In the method of the invention, one can form a plurality of intermediate layers 15 whose respective refractive indices are in

décroissant à partir du coeur. Descending from the heart.

BR VE DESCRIPTION DES DESSINS BR EV DESCRIPTION OF DRAWINGS

La présente invention sera mieux comprise à 20 la lecture de la description d'exemples de réalisation The invention will be better understood 20 reading the description of embodiments

donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure lA est une vue en coupe 25 transversale schématique d'un guide d'onde optique connu, à saut d'indice, et a déjà été décrite, - la figure 1B est une vue en coupe transversale schématique d'un guide d'onde optique connu, à gradient d'indice, et a déjà été décrite, - la figure 2 est une vue en coupe transversale schématique d'un mode de réalisation given below, purely indicative and non limitative, with reference to the accompanying drawings in which: - Figure lA is a schematic cross section 25 in view of a known optical waveguide, step-index, and has already been described, - FIG 1B is a schematic cross-sectional view of a known optical waveguide, graded index, and has already been described, - Figure 2 is a schematic cross-sectional view of an embodiment

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particulier du guide d'onde optique objet de l'invention, comprenant une seule couche intermédiaire, - la figure. particular the optical waveguide according to the invention, comprising a single intermediate layer, - FIG. 3 est une vue en coupe transversale schématique d'un mode de réalisation 5 particulier du guide d'onde optique objet de l'invention, comprenant deux couches intermédiaires, - les figures 4 à 6 illustrent schématiquement des étapes d'un mode de mise en òuvre particulier du procédé objet de l'invention, la figure 7 illustre schématiquement une variante du procédé illustré par les figures 4 à 6, et - les figures 8 à 10 illustrent 3 is a schematic cross sectional view of an embodiment 5 of the individual optical waveguide according to the invention, comprising two intermediate layers, - Figures 4 to 6 schematically illustrate steps of an embodiment of the opens the particular object of the invention, Figure 7 schematically illustrates a variant of the method illustrated in figures 4 to 6, and - 10 shown in figures 8

schématiquement des étapes d'un autre mode de réalisation particulier du procédé objet de 15 l'invention. schematically steps of another particular embodiment of the method 15 of the invention.

EXPOS D TAILL DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS EXHIBITIONS OF SPECIFIC EMBODIMENTS DETAILEDREPORT

Comme on l'a vu, l'invention a pour but de As we have seen, the invention aims to

diminuer les pertes par rugosité des guides à fort 20 écart d'indice. reduce losses roughness guides high 20 index difference.

Selon un aspect de l'invention, on enrobe le coeur d'un tel guide, après gravure, d'une ou plusieurs couches très minces, faites de matériaux diélectriques dont les indices de réfraction optiques 25 sont intermédiaires entre l'indice Nc du coeur et l'indice Ni de la couche de confinement dont on In one aspect of the invention, it coats the core of such a guide, after etching, of one or more very thin layers made of dielectric materials whose optical refractive indices 25 are intermediate between the core index Nc and the index of the Ni confinement layer which is

recouvre ensuite le coeur. then covering the core.

Ceci est schématiquement illustré par l'exemple de la figure 2 o l'on voit, en coupe 30 transversale, un guide à saut d1indice conforme à l'invention, comportant un coeur 12 entre une couche de This is schematically illustrated by the example of Figure 2 o is seen in 30 cross section, a guide d1indice jump according to the invention, having a core 12 between a layer of

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il he

confinement supérieure 14, dont l'indice optique est noté Ni, et une couche de confinement inférieure 16, dont l'indice optique est noté N2, ainsi qu'une couche supplémentaire continue 18, dont l'indice optique est 5 noté N3 et qui s'étend entre les couches 14 et 16 et entre la couche 14 et le coeur 12. upper confinement 14, whose optical index is denoted Ni, and a lower confinement layer 16, whose optical index is noted N2 and an additional continuous layer 18, whose optical index is 5 noted N3 and extends between the layers 14 and 16 and between the layer 14 and the core 12.

Les pertes P par rugosité, pour un guide plan incluant une seule couche mince supplémentaire, dont l'indice est noté N3, sont approximativement 10 données par la formule suivante: Losses P by roughness, to a guide plane including one additional thin layer, the index is denoted by N3, are approximately 10 from the following formula:

P=K1 (NW2-N32) 2+K2 (N32-N12) 2 P = K1 (NW2-N32) 2 + K2 (N32-N12) 2

o K1 et K2 sont des facteurs de proportionnalité. o K1 and K2 are proportionality factors. Dans ce cas, il est facile de montrer que 15 les pertes sont minimales pour une valeur de N3 qui est donnée par la formule suivante N32 = KNc2 + K2N12 K.+K2 Ces calculs sont approchés et la valeur de l'indice de réfraction de la couche supplémentaire, ou couche intermédiaire, peut être affinée à l'aide de logiciels commercialement disponibles, permettant le calcul numérique de la propagation optique dans le 25 guide, ces logiciels mettant en oeuvre la méthode BPM (pour "Beam Propagation Method") ou même la méthode In this case, it is easy to show that the losses are minimum 15 to a value N3 that is given by the following formula N32 = KNc2 K2N12 + K + K2 These calculations are approached and the value of the refractive index of the additional layer, or intermediate layer, can be refined using commercially available software, for the numerical calculation of the optical propagation in the guide 25, the software embodying the BPM method (for "Beam propagation method") or same method

FDTD (pour "Finite Difference Time Domain"). FDTD (for "Finite Difference Time Domain").

Il est possible d'améliorer ce résultat en It is possible to improve this by

augmentant le nombre de couches intermédiaires comme le 30 montre la figure 3. increasing the number of intermediate layers such as 30 shown in Figure 3.

B 14151.3 PV B 14151.3 PV

L'exemple que l'on voit sur cette figure 3 résulte simplement de l'ajout d'une autre couche intermédiaire continue 20 à l'exemple de la figure 2, cette autre couche 20 s'étendant entre la couche intermédiaire 18 et la couche 14. On précise que l'indice optique N'3 de cette autre couche 20 est inférieur à N3 et supérieur à Nl. The example can be seen in this Figure 3 results from the simple addition of another continuous intermediate layer 20 in the example of Figure 2, this further layer 20 extending between the intermediate layer 18 and the layer 14. It is specified that the optical index N'3 of this other layer 20 is less than N3 and greater than Nl. L'idée générale est toujours de diminuer 10 l'écart d'indice à chacune des interfaces afin de The general idea is always to reduce the gap 10 of index at each of the interfaces to

diminuer les pertes par rugosité en ces interfaces. reduce losses by roughness in these interfaces.

Dans ce cas, il convient d'utiliser des logiciels de calcul numérique pour optimiser les In this case, it is necessary to use numerical software to optimize

indices des couches que l'on ajoute. indices of the layers is added.

Des avantages de l'invention sont donnés ci-après. Advantages of the invention are given below. L'invention permet de réduire les pertes par rugosité des guides à fort écart d'indice que l'on forme par photolithographie et gravure, à l'aide d'une 20 étape technologique très peu coteuse, et permet ainsi d'envisager des dispositifs optiques intégrés de très petite taille, conservant tout de même de bonnes The invention reduces losses roughness guides high index difference which is formed by photolithography and etching, using a 20 stage technology coteuse very little, and thus allows to consider devices integrated optical very small, still retaining good

performances optiques. optical performance.

L'invention est compatible avec tous les 25 matériaux à fort écart d'indice et peut très bien être combinée à d'autres méthodes de réduction de la The invention is compatible with all the 25 materials high index difference and can very well be combined with other methods of reducing the

rugosité elle-même. roughness itself.

Par exemple, dans le cas particulier du silicium o il est possible de réduire la rugosité des 30 flancs des guides par une technique d'oxydation/désoxydation du silicium, comme cela est For example, in the particular case of silicon where it is possible to reduce the roughness of the sidewalls 30 of the guides by an oxidation technique / deoxidation of silicon, as

B 14151.3 PV B 14151.3 PV

décrit dans le document [3], on peut mettre en oeuvre à described in document [3], it is possible to implement

la fois cette technique et la présente invention. both the technique and the present invention.

On donne maintenant des exemples de procédés de fabrication de guides d'ondes optiques conformes à l'invention. now are examples of optical waveguide manufacturing process according to the invention. Dans le cas de guides à fort écart d'indice In the case of high index difference guides

en silicium, la fabrication de tels guides a lieu bien souvent en partant d'un substrat SOI (pour "Silicon On Insulator") dont la structure est représentée sur la 10 figure 4. silicon, the manufacture of such guides often occurs starting from a SOI substrate (for "Silicon On Insulator") whose structure is shown in 10 Figure 4.

Ce substrat SOI comprend un substrat monocristallin 22 dans lequel est enterrée une couche de silice 24, cette dernière étant ainsi surmontée This SOI substrate comprises a monocrystalline substrate 22 in which is embedded a layer of silica 24, the latter thus being surmounted

d'une couche de silicium monocristallin 26. a monocrystalline silicon layer 26.

Afin de former une structure qui soit In order to form a structure that is

monomode aux longueurs d'onde utilisées dans les télécommunications (de l'ordre de 1,55Rtm), la couche de silice enterrée peut avoir une épaisseur comprise entre 0,7gm et lrm et la couche supérieure en silicium peut 20 avoir une épaisseur comprise entre 0,2gm et 0,5gm. single-mode at the wavelengths used in telecommunications (of the order of 1,55Rtm), the buried silica layer may have a thickness between 0,7gm and lrm and the silicon top layer 20 may have a thickness between 0,2gm and 0,5gm.

Le coeur 28 du guide est ensuite formé par photolithographie et gravure à partir de la couche 26, et l'on obtient alors, en coupe transversale, la The core 28 of the guide is then formed by photolithography and etching from the layer 26, and is then obtained, in cross section, the

structure de la figure 5. structure of Figure 5.

La largeur du coeur 28 peut aller de 0,411m, si l'on désire avoir un guide monomode, jusqu'à plusieurs micromètres si l'on désire avoir un guide multimode. The width of the core 28 can range from 0,411m, if one wishes to have a single-mode waveguide, up to several micrometers if one wants to have a multimode waveguide. En reprenant la formule mentionnée plus 30 haut et en supposant que le champ électromagnétique Returning to the formula mentioned 30 above and assuming that the electromagnetic field

B 14151.3 PV B 14151.3 PV

varie peu entre les deux interfaces de la couche mince intermédiaire que l'on veut ajouter, on a varies little between the two interfaces of the thin intermediate layer which is to be added, it was

N,=3,45 N1=1,45 N, N1 = 3.45 = 1.45

K1=K.2 K1 = K.2

N3 peu différent de 2,64. N3 slightly different from 2.64.

Un matériau présentant un indice de réfraction se rapprochant de cette valeur (2,64) peut par exemple être du carbure de silicium, du carbone 10 diamant, du dioxyde de titane, ou encore du nitrure de A material having a refractive index approximating the value (2.64) can be for example silicon carbide, 10 diamond-like carbon, titanium dioxide, or of nitride

silicium (non stoechiométrique). silicon (non-stoichiometric).

Si l'on dépose une très fine couche d'un matériau ayant un tel indice, on diminue les pertes d'un facteur ax peu différent de 15 (N 2 _N12)2 If a very thin layer is deposited of a material having such an index, it reduces the loss of a bit different ax factor of 15 (N 2 _N12) 2

(N2 -N32)2 +(N32 -N2)2 (N2 -N32) 2 + (N32 -N 2) 2

c'est à dire peu différent de 2. that is little different from 2.

Si l'on utilise du nitrure de silicium When using silicon nitride

stoechiométrique dont l'indice est approximativement égal à 2, on obtient une diminution des pertes d'un 20 facteur environ égal à 1,5. stoichiometric whose index is approximately equal to 2, one obtains a reduction in losses of 20 factor approximately equal to 1.5.

On peut donc former une fine couche de Thus one can form a thin layer of

nitrure de silicium de quelques dizaines de manomètres d'épaisseur, par exemple par LPCVD, avant de recouvrir la structure d'une couche de silice (couche de 25 confinement supérieure) par exemple par PECVD. silicon nitride of a few tens of nanometers thickness, for example, by LPCVD, before covering the structure with a layer of silica (25 upper confinement layer), for example by PECVD.

On obtient alors la structure de la figure 6 o l'on voit la couche de nitrure de silicium 30, qui recouvre la couche 24 et le coeur 28, et la couche de then we obtain the structure of Figure 6 where one sees the layer of silicon nitride 30, which covers the layer 24 and the core 28 and the layer of

silice 32 qui recouvre cette couche 30. silica 32 covering this layer 30.

B 14151.3 PV B 14151.3 PV

Au lieu de déposer une seule couche (couche ), on peut déposer successivement deux couches minces 34 et 36 de matériaux différents comme le montre la Instead of depositing a single layer (layer) can be sequentially depositing two thin layers 34 and 36 of different materials as shown in

figure 7. Figure 7.

Les matériaux doivent avoir des indices Materials must be clues

compris entre l'indice du silicium et celui de la silice, l'indice de la première couche 34, qui recouvre la couche 24 et le coeur 28, devant être supérieur à l'indice de la deuxième couche 36 qui recouvre la 10 couche 34. between the index of silicon and that of silica, the index of the first layer 34, which covers the layer 24 and the core 28, to be greater than the index of the second layer 36 which overlies the layer 10 34 .

A titre d'exemple, on utilise du TiO2 For example, use of TiO2

d'indice environ égal à 2,4 pour la couche 34 et du Si3N4 d'indice environ égal à 2 pour la couche 36. On obtient alors une diminution des pertes par rugosité 15 d'un facteur environ égal à 2. index approximately equal to 2.4 for the layer 34 and Si3N4 index approximately equal to 2 to the layer 36. This results in a loss reduction by 15 roughness of about a factor equal to 2.

La couche de Tio2 peut être déposée par évaporation ou pulvérisation et la couche de Si3N4 par The TiO2 layer can be deposited by evaporation or sputtering and the Si3N4 layer by

LPCVD. LPCVD.

Dans bien des cas, la rugosité sur les 20 flancs 38 et 40 du coeur 28 (figure 8), rugosité qui est due à la photolithographie et à la gravure, est bien supérieure à la rugosité sur les bords inférieur et In many cases, the roughness 20 on the sidewalls 38 and 40 of the core 28 (Figure 8), which roughness is due to the photolithography and etching, is much higher than the roughness on the bottom edges and

supérieur 42 et 44 du coeur. upper 42 and 44 of the heart.

Il est possible de ne réaliser les couches 25 intermédiaires que sur les flancs 38 et 40 (bords It is possible to achieve the intermediate layers 25 on the sidewalls 38 and 40 (edges

latéraux) du coeur si on le désire. side) of the core if desired.

Pour cela, on part du coeur formé par gravure sur son subtrat. For this, from the heart formed by etching on its substrates. La figure 5 montre un tel coeur 5 shows such a heart

28 dans le cas du silicium sur silice. 28 in the case of silicon on silica.

Ensuite, on dépose une fine couche 46 en Si3N4 selon l'invention par LPCVD et l'on obtient alors Then, depositing a thin layer 46 Si3N4 according to the invention by LPCVD and is then obtained

B 14151.3 PV B 14151.3 PV

la structure de la figure 8. On voit que la couche 46 the structure of Figure 8. It is seen that the layer 46

recouvre la couche 24 et le coeur 28. covers the layer 24 and the core 28.

Ensuite, on effectue une gravure anisotrope de la couche 46, par exemple par la technique de 5 gravure ionique réactive ("reactive ion etching") Then, an anisotropic etching of the layer 46, for example by the technique of 5 reactive ion etching ( "reactive ion etching")

pleine plaque (sans étape de photolithographie) et l'on obtient la structure de la figure 9 o l'on voit que les flancs du coeur 28 sont recouverts de zones en Si3N4, constituées des portions de la couche 46 qui subsistent 10 après la gravure anisotrope. solid plate (without photolithography step), and we obtain the structure of Figure 9 where it is seen that the sides of the core 28 are covered with areas Si3N4, consisting of portions of layer 46 remaining after the etching 10 anisotropic.

Il ne reste plus alors qu'à recouvrir entièrement la structure obtenue d'une couche 48 en SiO2, par exemple par PECVD, pour obtenir le guide It then remains is to completely cover the resulting structure with a layer 48 of SiO2, for example by PECVD, for the guide

d'onde optique à saut d'indice de la figure 10. optical wave jumping index of Figure 10.

Comme précédemment, au lieu d'une seule couche intermédiaire (couche 46), on peut en former une pluralité de sorte que les flancs du coeur sont alors As above, instead of a single intermediate layer (layer 46), one can form a plurality so that heart flanks are then

recouverts de portions de cette pluralité de couches. coated portions of said plurality of layers.

B 14151.3 PV B 14151.3 PV

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Guide d'onde optique comprenant - un coeur (12, 28) qui a un indice de réfraction Nc, ce coeur ayant des flancs (38, 40), et - des première et deuxième couches de confinement (14-16, 32-24, 48-24) entre lesquelles se trouve le coeur et qui ont respectivement des indices de réfraction Ni et N2, ces indices de réfraction Ni et N2 10 étant inférieurs à l'indice de réfraction Nc du coeur, ce guide d'onde optique étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une couche intermédiaire (18, 18-20, 30, 34-36, 46) qui s'étend au moins le long des flancs du coeur, entre ce coeur et la 15 première couche de confinement (14, 32, 48), et qui a un indice de réfraction N3, cet indice de réfraction N3 1. An optical waveguide comprising - a core (12, 28) which has a refractive index Nc, said core having flanks (38, 40), and - first and second confinement layers (14-16, 32 -24, 48-24) between which the core and which respectively have refractive indices Ni and N2, these refractive indices Ni and N2 10 being lower than the refractive index Nc of the core, said waveguide optical being characterized in that it further comprises at least one intermediate layer (18, 18-20, 30, 34-36, 46) extending at least along the sides of the core, between the core and the 15 first confinement layer (14, 32, 48) and which has a refractive index N3, this refractive index N3
étant inférieur à Nc et supérieur à NM. Nc being less than and greater than NM.
2. Guide d'onde optique selon la revendication 1, dans lequel le coeur (28) est formé sur 20 la deuxième couche de confinement (24), ce guide d'onde optique étant ainsi un guide d'onde optique à saut d'indice. 2. An optical waveguide according to claim 1, wherein the core (28) is formed on 20 the second confinement layer (24), said optical waveguide and being an optical waveguide jump of index.
3. Guide d'onde optique selon l'une 3. An optical waveguide according to
quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la 25 couche intermédiaire (18, 18-20, 30, 34-36) s'étend le one of claims 1 and 2, wherein the intermediate layer 25 (18, 18-20, 30, 34-36) extends
long du coeur (28), entre ce coeur et la première couche de confinement (32), et sépare ainsi totalement le coeur along the core (28) between said core and the first confinement layer (32), and thus totally separates the heart
de la première couche de confinement. of the first confinement layer.
4. Guide d'onde optique selon l'une 30 quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la 4. An optical waveguide according to any one 30 of Claims 1 and 2, wherein the
couche intermédiaire (46) s'étend seulement le long des intermediate layer (46) extends only along the
B 14151.3 PV B 14151.3 PV
flancs (38, 40) du coeur, entre ce coeur et la première flanks (38, 40) of the core, between the core and the first
couche de confinement (48). confinement layer (48).
5. Guide d'onde optique selon l'une 5. An optical waveguide according to
quelconque des revendications 1 à 4, comprenant une 5 pluralité de couches intermédiaires (18-20, 34-36) dont les indices de réfraction respectifs vont en one of claims 1 to 4, comprising a 5 plurality of intermediate layers (18-20, 34-36) whose respective refractive indices are in
décroissant à partir du coeur (28). Descending from the core (28).
6. Procédé de fabrication d'un guide d'onde optique, ce guide d'onde optique comprenant: - un coeur (28) qui a un indice de réfraction Nc, ce coeur ayant des flancs (38, 40), et - des première et deuxième couches de confinement (32-24, 48-24) entre lesquelles se trouve le coeur et qui ont respectivement des indices de 15 réfraction NI et N2, ces indices de réfraction Ni et N2 étant inférieurs à l'indice de réfraction Nc du coeur, ce procédé étant caractérisé en ce que - on forme le coeur (28), - on forme au moins une couche 20 intermédiaire (30, 34-36, 46) sur le coeur, cette couche intermédiaire s'étendant au moins le long des flancs du coeur et ayant un indice de réfraction N3, cet indice de réfraction N3 étant inférieur à Nc et supérieur à Ni, et - on forme la première couche de 6. A method of manufacturing an optical waveguide, said optical waveguide comprising: - a core (28) which has a refractive index Nc, this core having flanks (38, 40), and - first and second confinement layers (32-24, 48-24) between which the core and which have indices of refraction 15, NI and N2, respectively, the refractive indices of Ni and N2 is lower than the refractive index Nc the heart, the method being characterized in that - forming the core (28), - forming at least one intermediate layer 20 (30, 34-36, 46) on the core, said intermediate layer extending at least the along the sidewalls of the core and having a refractive index N3, N3 this refractive index is less than Nc and greater than Ni, and - the first layer is formed
confinement (32, 48). containment (32, 48).
7. Procédé selon la revendication 6, dans 7. The method of claim 6,
lequel on forme le coeur (28) sur la deuxième couche de confinement (24), le guide d'onde optique étant ainsi 30 un guide d'onde optique à saut d'indice. wherein forming the core (28) on the second confinement layer (24), the optical waveguide 30 thus being an optical waveguide index step.
B 14151.3 PV B 14151.3 PV
8. Procédé selon l'une quelconque des 8. A method according to any one of
revendications 6 et 7, dans lequel on forme la couche intermédiaire (30, 34-36) le long du coeur (28), entre ce coeur et la première couche de confinement (32, 48), 5 de manière à séparer totalement le coeur de la première Claims 6 and 7, wherein forming the intermediate layer (30, 34-36) along the core (28) between said core and the first confinement layer (32, 48) 5 so as to completely separate the heart of the first
couche de confinement. confinement layer.
9. Procédé selon l'une quelconque des 9. The method of any one of
revendications 6 et 7, dans lequel on forme la couche intermédiaire (46) seulement le long des flancs (38, 10 40) du coeur (28), entre ce coeur et la première couche Claims 6 and 7, wherein forming the intermediate layer (46) only along the sides (38 10 40) of the core (28) between said core and the first layer
de confinement (48). containment (48).
10.. Procédé selon l'une quelconque des 10 .. The method of any one of
revendications 6 à 9, dans lequel on forme une pluralité de couches intermédiaires (34, 36) dont les 15 indices de réfraction respectifs vont en décroissant à Claims 6 to 9, wherein forming a plurality of intermediate layers (34, 36) whose respective refractive indices 15 are descending to
partir du coeur (28). from the core (28).
B 14151.3 PV B 14151.3 PV
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