FR2855274A1 - Circuit integre photonique equipe de moyens d'interconnexion avec des composants optoelectroniques rapportes - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un circuit intégré photonique comprenant un substrat (1) comportant au moins un circuit optique (4) et des moyens d'interconnexion (2, 3) du circuit optique avec au moins un composant optoélectronique (6, 8, 9, 11, 12) rapporté sur le substrat. Les moyens d'interconnexion sont constitués d'au moins une zone du substrat dont l'indice de réfraction est modifié pour assurer ladite interconnexion.

Description

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CIRCUIT INTEGRE PHOTONIQUE EQUIPE DE MOYENS

D'INTERCONNEXION AVEC DES COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES RAPPORTES

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un circuit intégré photonique équipé de moyens d'interconnexion avec des composants optoélectroniques rapportés.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

Les circuits intégrés photoniques ne font pas appel à une approche technologique unique dite encore monolithique contrairement aux circuits intégrés microélectroniques. A titre d'exemple, dans le domaine 15 des circuits intégrés microélectroniques pour la technologie MOS sur substrat de silicium, le composant clé constitué par le transistor MOS est dupliqué un grand nombre de fois pour construire le circuit intégré souhaité. Les circuits intégrés photoniques au 20 contraire mettent en jeu des composants individuels très différents au niveau fonctionnalité ou géométrie et qui, le plus souvent, font appel à des technologies variées réalisées sur différents substrats. Ainsi, les diodes lasers ou certains type de modulateurs ou 25 d'amplificateurs optiques sont réalisés sur des substrats en InP, les modulateurs électro-optiques à très hautes fréquences sont réalisés sur des substrats en niobate de lithium, les composants passifs (diviseurs de puissance, multiplexeurs de longueurs 30 d'onde, etc.) sont réalisés sur des substrats en verre SP 22642/JL ou en silicium. Les technologies impliquées pour la réalisation de ces composants sont très différentes les unes des autres: épitaxie de couches minces semiconductrices sur les substrats en InP, diffusion de 5 titane ou échanges protoniques sur les substrats en niobate de lithium, échanges ioniques sur les substrats en verre ou dépôt CVD de couches de silice sur les substrats en silicium.

Par ailleurs, certains composants ne sont 10 actuellement pas réalisables en version intégrés. Ils sont réalisés soit sur fibre optique (filtres spectraux par exemple), soit en micro-optique en espace libre (isolateurs de lumière, certains filtres interférentiels, etc). De plus, la transmission des 15 informations lumineuses utilise les fibres optiques monomodes, voire multimodes, dont les caractéristiques optiques et géométriques sont le plus souvent différentes de celles des circuits intégrés cités.

Ce caractère fortement hybride de 20 l'optoélectronique implique la mise en jeu de techniques de connexion sophistiquées, délicates à maîtriser (utilisation de micro-lentilles et nécessité d'alignement extrêmement précis, etc.) Ces techniques sont très pénalisantes sur le plan économique.

Ces problèmes de connectique et d'adaptation d'impédance optique entre les éléments des dispositifs optoélectroniques sont des problèmes très génériques qui se posent dans tous les domaines d'application de l'optoélectronique depuis l'instrumentation (industrielle, médicale, scientifique, etc.) jusqu'aux télécommunications SP 22642/JL optiques. Ces problèmes sont d'autant plus critiques que les contraintes de coût de production deviennent fortes, ce qui est de plus en plus le cas en communications optiques à mesure que les transmissions 5 optiques se rapprochent de l'abonné et que le nombre de composants ou de modules optiques mis en jeu croit énormément en nombre de pièces.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention propose un circuit intégré 10 photonique permettant de remédier aux inconvénients cidessus.

Elle a donc pour objet un circuit intégré photonique comprenant un substrat comportant au moins un circuit optique et des moyens d'interconnexion du 15 circuit optique avec au moins un composant optoélectronique rapporté sur le substrat, les moyens d'interconnexion étant constitués d'au moins une zone dudit substrat dont l'indice de réfraction est modifié pour assurer ladite interconnexion.

Un composant optoélectronique peut ainsi être rapporté à la périphérie du substrat, sur une face du substrat ou dans une cavité du substrat.

L'interconnexion entre le circuit optique du circuit intégré photonique et le composant 25 optoélectronique rapporté se fait alors par un routage optique en espace libre. L'invention permet donc d'associer, sur un même circuit intégré, des éléments d'optique en espace libre (3D) et d'optique planaire (2D).

Il existe de nombreuses publications mentionnant la réalisation de composants d'optique SP 22642/JL planaire permettant une modification, en générale partielle, des profils de mode d'un guide planaire via l'utilisation de structure adiabatique dont le rôle peut être assimilé à celui d'un "entonnoir" pour la 5 lumière. Le plus souvent et pour des raisons liées à l'utilisation de masques pour définir les motifs désirés en optique guidée, ce type d'adaptation est mis en jeu dans une seule dimension définie par la direction perpendiculaire au plan de la propagation de 10 l'onde et située dans le plan des substrats utilisés.

Des solutions de réalisation de structures adiabatiques permettant une modification de mode dans les deux directions perpendiculaires à la direction de propagation ont été proposées mais se sont généralement 15 heurtées à une augmentation très importante des étapes technologiques, trop pénalisantes sur le plan des rendements de fabrication pour être véritablement utilisées. De toute façon, ce type de structures basé sur des empilements astucieux de couches d'épaisseurs 20 différentes conserve dans tous les cas le caractère guidé de l'onde lumineuse et n'a jamais utilisé le passage d'optique guidée en optique en espace libre (ou vice versa) comme proposé dans l'invention.

La zone du substrat constituant les moyens 25 d'interconnexion peut être une zone obtenue par modification locale de l'indice de réfraction du substrat.

Le circuit optique peut notamment être réalisé par une technique d'échange ionique. Il en va 30 de même pour la zone de substrat constituant les moyens d'interconnexion.

SP 22642/JL La réalisation, au cours d'un procédé de fabrication, d'éléments en optique planaire et en optique 3D est originale. En effet, bien que reposant sur une approche physique, similaire de modification 5 des paramètres optiques du verre (l'échange entre les ions du verre et les ions extérieurs apportés par des bains de sels adaptés), ces deux types d'éléments mettent en jeu des approches technologiques très différentes. La réalisation des composants planaires 10 implique des étapes de masquage qui définissent les motifs souhaités dans le plan de surface des substrats (ou de la plaquette par une réalisation collective). La réalisation des composants 3D, et tout particulièrement des lentilles à gradient d'indice repose sur une 15 approche diffusion symétrique des espèces ioniques à partir non pas d'un substrat planaire mais de barreaux immergés dans des bains de sels adaptés, sans mise en jeu de masques. Selon l'art connu, ces deux types d'éléments utilisent des substrats de géométries 20 complètement différentes et qui ne sont pas adaptés à la mise en oeuvre de l'invention.

La réalisation de ces éléments peut être obtenue par des techniques de gravure chimique ou ionique ou par des irradiations au moyen d'un faisceau 25 laser. La technique d'échange ionique donne de plus grandes libertés de paramétrage et paraît bien adaptée pour la mise en oeuvre industrielle du concept de l'invention.

Chaque zone d'interconnexion peut comprendre au moins une lentille à gradient d'indice.

SP 22642/JL Le circuit optique peut comporter un guide optique dont.une extrémité est située en vis-à-vis de ladite zone du substrat afin de réaliser une connexion avec ladite zone du substrat.

Ladite zone du substrat peut être localisée dans le substrat de façon à être en vis-à-vis d'une entrée ou d'une sortie du composant optoélectronique afin de réaliser une connexion avec ledit composant optoélectronique. Elle peut comprendre au moins deux 10 lentilles à gradient d'indice dont les axes sont décalés l'un par rapport à l'autre.

Le composant optoélectronique peut être rapporté en périphérie du substrat ou sur la surface du substrat. Dans ce dernier cas, le substrat peut être 15 pourvu d'au moins une cavité permettant le logement d'au moins un composant optoélectronique et/ou d'au moins un composant optique.

L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication collective de circuits intégrés 20 photoniques tels que définis ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - fourniture d'une plaquette destinée à fournir autant de substrats qu'il y a de circuits intégrés photonique à réaliser, - réalisation sur la plaquette des moyens d'interconnexion pour chaque circuit intégré photonique, - réalisation sur la plaquette du circuit optique de chaque circuit intégré photonique, éventuellement, réalisation sur la plaquette de moyens de logement d'au moins un composant SP 22642/JL optoélectronique et/ou optique pour chaque circuit intégré photonique, - découpe de la plaquette pour obtenir les circuits intégrés photoniques.

Le procédé peut comprendre en outre une étape de report ou d'ajout d'au moins un composant optoélectronique et/ou d'au moins un composant optique pour compléter les circuits intégrés photoniques.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: les figures 1A à 1D sont des vues de dessus d'un substrat soumis à des étapes de fabrication pour fournir un circuit intégré photonique selon la présente invention, - les figures 2A à 2C illustrent certaines 20 étapes d'un procédé de réalisation collectif du circuit intégré photonique des figures lA à 1D.

- les figures 3 et 4 sont des vues partielles respectivement de dessus et de côté d'un circuit intégré photonique selon l'invention, - les figures 5 et 6 sont des vues partielles respectivement de dessus et de côté d'un autre circuit intégré photonique selon l'invention, - la figure 7 est une vue de côté et partielle d'un autre circuit intégré photonique selon 30 l'invention, SP 22642/JL - la figure 8 est une vue de côté et partielle d'encore un autre circuit intégré photonique selon l'invention, - la figure 9 est une vue de côté et 5 partielle d'encore un autre circuit intégré photonique selon l'invention, - les figures 10 et 11 donnent des exemples de réalisation possibles de zones d'interconnexion pour des circuits intégrés photoniques selon l'invention, - les figures 12 et 14 donnent d'autres exemples de réalisation possibles de zones d'interconnexion pour des circuits intégrés photoniques selon l'invention, - la figure 15 représente un élément 15 optique cylindrique apte à fournir une lentille à symétrie circulaire, - la figure 16 représente une forme de profil d'indice de réfaction pour réaliser une zone d'interconnexion selon la présente invention, - les figures 17 à 24 représentent différentes configurations de masques possibles pour mettre en oeuvre la présente invention.

EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

Les figures lA à 1D illustrent le concept 25 de l'invention dans sa généralité. Elles montrent les principales étapes technologiques conduisant à la réalisation d'un circuit intégré photonique selon l'invention.

La figure 1A montre un substrat 1 en verre 30 sur lequel ont été réalisées des zones 2 et 3 destinées à assurer l'interconnexion entre un circuit optique à SP 22642/JL réaliser sur le substrat 1 et des composants optoélectroniques à rapporter. En général, les zones 2 et 3 destinées à l'interconnexion sont réalisées avant le ou les circuits optiques afin de minimiser les 5 interactions entre les processus de fabrication. C'est ce que montre la figure 1A.

La figure lA montre des zones d'interconnexion 2 situées en périphérie du substrat 1 pour la connexion avec des composants électrooptiques 10 qui seront connectés en périphérie du substrat. Elle montre également des zones d'interconnexion 3 situées à l'intérieur de la surface du substrat 1 pour la connexion d'un composant optoélectronique à localiser au sein même du substrat 1.

La figure lB montre le substrat 1 après la réalisation d'un circuit optique 4 en relation avec des zones d'interconnexion 2 et 3 préintégrées dans l'étape précédente.

La figure 1C montre qu'une cavité 5 a été 20 réalisée sur le substrat 1, entre les zones d'interconnexion 3. La cavité 5 possède des dimensions choisies pour permettre le positionnement d'un composant optoélectronique à connecter dans le circuit optique 4.

La figure 1D représente le circuit intégré photonique obtenu lorsque les composants optoélectroniques prévus ont été reportés sur le substrat 1. A titre d'exemple, on a reporté en périphérie du substrat 1 une diode laser 30 semiconductrice 6, une fibre optique monomode d'entrée 7, un circuit optique intégré 8 mettant en jeu une SP 22642/JL autre technologie et/ou un autre substrat que le substrat 1, une fibre optique multimode 9, un filtre spectral 10 associé à un photodétecteur 11. Entre les zones 3 et dans la cavité 5, a été logé un isolateur 12.

Les zones d'interconnexion 2 et 3 sont obtenues par modification locale Ani (x,y) de l'indice de réfaction nv du substrat en verre par exemple par des techniques d'échange ionique.

La valeur des profils Ani (x, y) ainsi que leur positionnement au sein ou à la périphérie du substrat 1 sont adaptés aux caractéristiques optiques des composants ou éléments à connecter d'une part et du ou des circuits optiques d'autre part. En toute 15 rigueur, chaque profil Ani (x,y) peut être différent des autres mais, pour des raisons de simplicité technique, il est bien sûr préférable de limiter le nombre de profils différents nécessaires et, dans la mesure du possible, de jouer sur les positionnements 20 respectifs des composants ou éléments pour optimiser les différentes connexions requises.

Le concept de l'invention est compatible avec un mode de fabrication collective des circuits intégrés comme cela est illustré par les figures 2A à 25 2C.

La figure 2A montre une plaquette de verre destinée à la fabrication d'une pluralité de circuits intégrés photoniques du type décrit par les figures lA à 1D. Pour faciliter la compréhension, la 30 délimitation des substrats 1 a été représentée. La SP 22642/JL figure lA montre que les zones d'interconnexion 2 et 3 ont été réalisées de manière collective.

La figure 2B montre la réalisation collective des circuits optiques 4.

La figure 2C montre la réalisation collective des cavités 5.

A l'issue du traitement collectif de fabrication, la plaquette est découpée pour fournir une pluralité de circuits intégrés photoniques tels que 10 celui représenté à la figure 1C.

La réalisation des zones d'interconnexion va maintenant être décrite plus en détail.

Les figures 3 et 4 sont des vues respectivement de dessus et de côté d'un circuit 15 intégré photonique selon l'invention.

Ce circuit intégré est formé sur un substrat en verre 21. Ce circuit présente une association entre un guide optique monomode ou multimode 24 et une zone d'interconnexion intégrée 22 20 disposée en vis-à-vis d'une extrémité du guide optique 24. La zone 22 est constituée d'une lentille à gradient d'indice de paramètres pré-calculés de façon à obtenir en sortie du circuit intégré, et en réponse à un faisceau lumineux véhiculé par le guide optique 24, un 25 faisceau optique collimaté 20 de diamètre donné et de faible divergence angulaire.

Les figures 5 et 6 sont des vues respectivement de dessus et de côté d'un autre circuit intégré photonique selon l'invention.

Ce circuit intégré est formé sur un substrat en verre 31. Ce circuit présente une SP 22642/JL association entre un guide optique monomode ou multimode 34 et une zone d'interconnexion intégrée 32 disposée en vis-àvis d'une extrémité du guide optique 34. La zone 32 est constituée d'une lentille à gradient 5 d'indice de paramètres pré-calculés de façon à obtenir en sortie du circuit intégré, et en réponse à un faisceau lumineux véhiculé par le guide optique 34, un faisceau optique 30 refocalisé à une distance et avec des dimensions de point de refocalisation pré-définis 10 de façon à former une image de la sortie du guide de lumière de position et de grandissement donnés, cette image pouvant être réelle ou virtuelle suivant le type de couplage à optimiser.

Les zones d'interconnexion 22 ou 32 sont 15 définies par des procédés de masquage lithographique classiques comme cela sera décrit plus loin. Dans les deux exemples précédents, le guide de lumière est enterré au-dessous de la surface du substrat, à une profondeur XOG (voir les figures 4 et 6) et l'axe de la 20 lentille à gradient d'indice à une profondeur XOL. Sur les figures 4 et 6, les profondeurs XoG et XOL ont été choisies égales et les axes des faisceaux optiques générés par les 'lentilles à gradient d'indice restent parallèles à l'axe du guide.

Il est tout à fait possible de choisir des profondeurs différentes pour XOG et XOL. C'est ce que montre la figure 7. Le circuit intégré est formé sur un substrat en verre 41 et présente une association entre un guide optique 44 et une zone d'interconnexion 30 intégrée 42 disposée en vis-àvis d'une extrémité du guide optique 44. La zone 42 est constituée d'une SP 22642/JL lentille à gradient d'indice de paramètres pré-calculés de façon à obtenir en sortie du circuit intégré, et en réponse à un faisceau lumineux véhiculé par le guide optique 44, un faisceau optique collimaté 40.

Dans le cas représenté, les profondeurs XOG et XoL sont différentes. Ces profondeurs sont décalées d'une valeur AX = XOG - XOL correspondant à une inclinaison d'angle AO déterminé et directement relié au décalage AX.

De même, en vue de dessus (dans le plan de surface du circuit intégré), ces mêmes axes de faisceaux optiques peuvent être décalés d'une valeur AY qui conduit dans ce plan à un décalage angulaire A(.

A partir de cette configuration simple o 15 la zone d'interconnexion est constituée d'une simple lentille à gradient d'indice, il est facile d'imaginer des configurations plus complexes d'éléments optiques intégrés qui vont permettre de surmonter certaines limitations intrinsèques. Une de ces limitations peut 20 être atteinte si les contraintes particulières de couplage de circuit optique nécessitent par exemple la réalisation d'un faisceau collimaté de grand diamètre, correspondant à des valeurs de divergence angulaire souhaitée faible. En effet, la profondeur XOG de l'axe 25 des guide de lumière est le plus souvent de quelques tm, voire quelques dizaines de gm, en particulier dans les guides obtenus par échange ionique dans les verres qui, en pratique, seront favorablement utilisés pour mettre en oeuvre l'invention. La profondeur classique 30 est de l'ordre de 15 gm bien qu'il soit possible de dépasser cette valeur.

SP 22642/JL Cette limitation de la valeur de XoG entraîne une limitation des diamètres accessibles dans le plan de coupe XOZ dans le cas d'utilisation d'une lentille unique car la valeur maximum du diamètre ne 5 peut excéder 2XOG du fait de la présence de la surface du circuit intégré. Ce problème peut être surmonté de plusieurs manières.

Selon une première solution, le guide planaire peut être localement enterré afin d'augmenter 10 la profondeur du point objet dont l'image sera formée par la lentille à gradient d'indice réalisée. La figure 8 illustre cette solution dans le cas d'un faisceau image collimaté.

Sur cette figure, le circuit intégré est 15 formé sur un substrat en verre 51 et présente une association entre un guide optique 54 et une zone d'interconnexion intégrée 52 disposée en vis-à-vis d'une extrémité du guide optique 54. Le guide optique 54 se trouve enterré à une profondeur XoG sur une partie 20 de sa longueur, puis à une profondeur X'oG sur une autre partie, plus proche de la zone 52. Ainsi, on peut obtenir, par l'intermédiaire de la lentille formant la zone 52, un faisceau collimaté 50 de diamètre relativement important.

Cette solution peut présenter des inconvénients du fait que l'enterrage des guides de lumière (par exemple sous champ électrique comme il est connu de la faire avec la technique d'échange d'ions dans les verres) s'accompagne de modifications du 30 profil d'indice de réfraction du ou des modes guidés et donc des dimensions du point objet à considérer. Il est SP 22642/JL possible de prendre en compte cet effet, par exemple via les paramètres optiques de la lentille. Cette variante peut s'appliquer au cas illustré par la figure 7.

Selon la seconde solution, on peut employer deux lentilles d'axes décalés dans le plan XOZ. La figure 9 illustre cette solution dans le cas d'un faisceau collimaté.

Sur cette figure, le circuit intégré est 10 formé sur un substrat de verre 61 et présente une association entre un guide optique 64 et une zone d'interconnexion intégrée 62 comprenant une première lentille 162 en vis-à-vis d'une extrémité du guide optique 64 et une deuxième lentille 262 en vis-à-vis de 15 la sortie de la première lentille 162. Le guide optique 64 se trouve enterré à une profondeur XoG, la lentille 162 à une profondeur XOL1 et la lentille 262 à une profondeur XOL2 de sorte que XOL2 > XoL1 > XoG.

Dans le cas o la première lentille 20 travaille avec un grandissement GL1 égale à -1, on obtient la relation: XOL2 = XOL1 + (XOL1 - XOG) = 2XOL1 XOG.

I1 suffit pour cela de former l'image de la sortie du guide de lumière du côté opposé à sa position 25 par rapport à l'axe de la première lentille 162. Dans ce cas, seule la partie inférieure de la lentille 162 intervient dans le phénomène de déviation des rayons lumineux et de collimation. Le faisceau collimaté ne peut donc plus voir la surface du guide optique et 30 l'utilisation d'une lentille 262 non symétrique par rapport à son axe (défini par la position du maximum SP 22642/JL d'indice de réfraction pour le gradient d'indice réalisé) et d'extension suffisante en profondeur permet d'éviter la limitation de diamètre souhaitée pour le faisceau collimaté de sortie 60.

Le grandissement GL1 peut être choisi différent de -1. Il peut être égal à -0,5 ou -0,25 pour ne citer que quelques exemples intéressants.

L'utilisation d'un grandissement inférieur à 1 permet par exemple, pour une valeur de diamètre donnée, de raccourcir la focale de la lentille 262 et donc la longueur de cette lentille travaillant avec un grandissement infini du fait de l'augmentation de l'ouverture numérique image du faisceau optique diffracté par le guide de lumière.

La figure 10 donne un premier exemple de réalisation d'une zone d'interconnexion pour un circuit intégré photonique selon l'invention. Dans cet exemple, le substrat est vu en coupe selon le plan XOZ. Le trait mixte 75 représente la surface du substrat. On a 20 représenté également le guide optique 74 dont une extrémité se trouve en vis-à-vis de la zone d'interconnexion 72 constituée d'une première lentille 172 et d'une deuxième lentille 272.

Un diagramme d'axes OZ (représentant la 25 distance de propagation d'une onde lumineuse) et OX (représentant la profondeur d'enterrage) et superposé sur la coupe du substrat. L'axe OZ a pour origine l'extrémité du guide optique 74. L'axe OX a pour origine la partie centrale de la lentille 172. Le 30 faisceau transitant dans la zone d'interconnexion 72 a la même configuration que pour la figure 9.

SP 22642/JL Le point image donné par la première lentille 172 coïncide avec la face d'entrée de la deuxième lentille 272. Cette configuration n'est qu'une illustration parmi beaucoup d'autres possibles qui 5 permet d'obtenir, à partir d'un point objet correspondant à la répartition de lumière en sortie du guide d'onde, un faisceau optique collimaté de dimension donnée.

La figure 10 donne un exemple de 10 réalisation possible avec des paramètres de lentilles à gradient d'indice réalisables par la technique d'échange d'ions en structure planaire qui sera décrite plus loin.

Les caractéristiques de la zone d'interconnexion sont les suivantes pour une longueur d'onde du faisceau lumineux véhiculé de 1,55.m: - profondeur d'enterrage du guide d'entrée, XOG = 15 gm; - rayon du "waist" du mode guidé 5 tm; - indice de réfraction du substrat en verre 1,52; - variation d'indice maximale de la première lentille 0,08; - profondeur d'enterrage de la première 25 lentille 20 Im; - rayon de première lentille 20 gm; longueur de la première lentille 90 m; - variation d'indice maximale de la deuxième lentille 0,03; - profondeur d'enterrage de la deuxième lentille 25 gm; SP 22642/JL - rayon de la deuxième lentille 100 tm; - longueur de la deuxième lentille 800 gm.

Il résulte de ces caractéristiques que la profondeur d'enterrage XFC du faisceau collimaté (de 5 l'axe du faisceau par rapport à la surface du substrat) est de 66 gm et que la largeur du faisceau collimaté AXFC est de 63,9 gm.

La figure 11 donne un deuxième exemple de réalisation d'une zone d'interconnexion pour un circuit 10 intégré photonique selon l'invention. Comme pour le premier exemple de réalisation, le substrat est vu en coupe selon le plan XOZ. Le trait 85 représente la surface du substrat. On a représenté également le guide optique 84 dont une extrémité se trouve en vis-à-vis de 15 la zone d'interconnexion 82 constituée d'une première lentille 182 et d'une deuxième lentille 282.

Comme pour la figure précédente un diagramme d'axes OZ et OX est superposé sur la coupe du substrat. Les origines des axes sont les mêmes que 20 précédemment.

Le point image donné par la première lentille 182 coïncide avec la face d'entrée de la deuxième lentille 282.

La figure 11 donne un exemple de 25 réalisation possible avec des paramètres de lentilles à gradient d'indice réalisables par la technique d'échange d'ions en structure planaire.

Les caractéristiques de la zone d'interconnexion sont les suivantes pour une longueur 30 d'onde du faisceau lumineux véhiculé de 1,55 gm: SP 22642/JL - profondeur d'enterrage du guide d'entrée, XG = 15.m; - rayon du "waist" du mode guidé 5.m; - indice de réfraction du substrat en verre 1,52; - variation première lentille 0,08; - profondeur d'indice maximale de la d'enterrage de la première lentille 20 gm; - rayon de la - longueur de - variation deuxième lentille 0,03; - profondeur première lentille 20 gm; la première lentille 90 4m; d'indice maximale de la d'enterrage de la deuxième lentille 25 gm - rayon de la - longueur de deuxième lentille 150 gm, la deuxième lentille 1200 gm.

Il résulte de ces caractéristiques que la profondeur d'enterrage XFC du faisceau collimaté (de l'axe du faisceau par rapport à la surface du substrat) est de 86,5 gm et que la largeur du faisceau collimaté AXFC est de 95,8 km.

De ces exemples, il apparaît que des faisceaux collimatés de diamètre supérieur à 90 gm sont 25 aisément réalisables pour des longueurs de zone d'intégration des éléments de couplage de l'ordre de 1500 gm tout à fait compatibles avec les exigences de dimensions des dispositifs optoélectroniques. Des diamètres de faisceaux nettement plus importants SP 22642/JL peuvent être envisagés si nécessaire via diverses modifications des paramètres du système optique.

Les figures 12, 13 et 14 donnent d'autres exemples de réalisation possibles de zones d'interconnexion assurant non plus une collimation dupoint objet (image à l'infini) mais une image à distance finie de l'objet.

La figure 12 donne donc un troisième exemple de réalisation d'une zone d'interconnexion. 10 Comme pour les deux exemples de réalisation précédents, le substrat est vu en coupe selon le plan XOZ. Le trait mixte 95 représente la surface du substrat. On a représenté également le guide optique 94 dont une extrémité se trouve en vis-à-vis de la zone 15 d'interconnexion 92 constituée d'une première lentille 192 et d'une deuxième lentille 292.

Comme précédemment, un diagramme d'axes OZ et OX est superposé sur la coupe du substrat. Les origines des axes sont les mêmes que précédemment.

Les caractéristiques de la zone d'interconnexion sont les suivantes pour une longueur d'onde du faisceau lumineux véhiculé de 1,55 im: - profondeur d'enterrage du guide d'entrée, XoG = 15 gm; - rayon du "waist"du mode guidé 5 m; - indice de réfraction de substrat en verre 1,52; - variation d'indice maximale de la première lentille 0,08; - profondeur d'enterrage de la première lentille 20 gm; SP 22642/JL - rayon de la première lentille 20 gm; - longueur de la première lentille 100.m; - variation d'indice maximale de la deuxième lentille 0,08; - profondeur d'enterrage de la deuxième lentille 30 pm; - rayon de la deuxième lentille 20.m, - longueur de la deuxième lentille 100tm.

La figure 13 donne un quatrième exemple de 10 réalisation d'une zone d'interconnexion. Comme pour les trois exemples de réalisation précédents, le substrat est vu en coupe selon le plan XOZ. Le trait mixte 105 représente la surface du substrat. On a représenté également le guide optique 104 dont une extrémité se 15 trouve en vis-à-vis de la zone d'interconnexion 102 constituée d'une première lentille 202 et d'une deuxième lentille 302.

Comme précédemment, un diagramme d'axes OZ et OX est superposé sur la coupe du substrat. Les 20 origines des axes sont les mêmes que précédemment.

Les caractéristiques de la zone d'interconnexion sont les suivants pour une longueur d'onde du faisceau lumineux véhiculé de 1,55 gm: - profondeur d'enterrage du guide d'entrée, 25 XoG= 15 gm; -rayon du "waist" du mode guidé 5 gm; - indice de réfraction du substrat en verre 1,52; - variation d'indice maximale de la 30 première lentille 0,08; SP 22642/JL profondeur d'enterrage de la première lentille 20 gm; - rayon de la première lentille 20 m; - longueur de la première lentille 100 gm; variation d'indice maximale de la deuxième lentille 0,08; - profondeur d'enterrage de la deuxième lentille 30 Jm; - rayon de la deuxième lentille 20 gm, - longueur de la deuxième lentille 100.m.

La figure 14 donne donc un cinquième exemple de réalisation d'une zone d'interconnexion.

Comme pour les quatre exemples de réalisation précédents, le substrat est vu en coupe selon le plan 15 XOZ. Le trait mixte 115 représente la surface du substrat. On a représenté également le guide optique 114 dont une extrémité se trouve en vis-à-vis de la zone d'interconnexion 112 constituée d'une première lentille 212 et d'une deuxième lentille 312.

Comme précédemment, un diagramme d'axes OZ et OX est superposé sur la coupe du substrat. Les origines des axes sont les mêmes que précédemment.

Les caractéristiques de la zone d'interconnexion sont les suivants pour une longueur 25 d'onde du faisceau lumineux véhiculé de 1,55 gm: profondeur d'enterrage du guide d'entrée, XOG = 15 Im; - rayon du "waist" du mode guidé 5 gm; - indice de réfraction du substrat en verre 30 1,52; SP 22642/JL - variation première lentille 0,08; - profondeur d'indice maximale de la d'enterrage de la première lentille 20 gm; - rayon de la longueur de - variation deuxième lentille 0,08; - profondeur 10 lentille 30 tm; - rayon de la - longueur de première lentille 20 gm; la première lentille 100 Im; d'indice maximale de la d'enterrage de la deuxième deuxième lentille 50 gm, la deuxième lentille 200 gm.

Il résulte de ces caractéristiques que la profondeur d'enterrage XFC du faisceau collimaté (de 15 l'axe de faisceau par rapport à la surface du substrat) est de 86,5 gm et que la largeur du faisceau collimaté AXFC est de 95,8 gm.

Les simulations représentées sur les figures 12 et 13 montrent des cas particuliers 20 intéressants dans lesquels l'axe de symétrie angulaire du faisceau image reste parallèle au plan de surface.

Cette configuration est obtenue en choisissant judicieusement les paramètres du système optique formé par les deux lentilles constituant la zone 25 d'interconnexion et en particulier la position des axes des lentilles par rapport à l'axe du guide d'ondes. On voit aussi, en comparant les figures 12, 13 et 14, que l'ouverture angulaire du faisceau optique image peut être adaptée facilement en fonction des paramètres des 30 deux lentilles mises en jeu et en particulier des SP 22642/JL longueurs et des distances inter-lentilles. Il est donc possible, par un choix judicieux des paramètres, de réaliser l'ouverture angulaire optimale afin d'obtenir un couplage d'énergie optimum avec un composant situé 5 en dehors de la puce optique intégrée (fibre optique, autre guide de lumière, etc.).

Tous ces différents exemples ne sont qu'illustratifs des possibilités offertes par l'invention. Il est possible de réaliser grâce à 10 l'approche proposée par l'invention toutes les configurations données par les systèmes d'optique connus comportant une, deux ou plusieurs lentilles à gradients d'indice et des paramètres optiques et géométriques convenablement choisis.

Les figures 8 à 14 représentent les vues en coupe des lentilles et donc les figures d'imagerie d'optique dans le plan de coupe XOZ.

En vue de dessus, comme déjà illustré par les figures 3 et 5, les lentilles devront aussi 20 présenter les propriétés d'imagerie nécessaires. Les paramètres optiques suivant ces plans parallèles au plan de surface YOZ seront déduits des profils d'indice de réfraction correspondants.

Il faut donc bien voir toutes les 25 structures optiques présentées comme des structures à deux dimensions symétriques ou non symétriques.

Il est d'ailleurs possible de jouer avec ces dissymétries pour modifier la forme géométrique des faisceaux lumineux entre les plans objet et image et 30 obtenir des répartitions lumineuses dans le plan image mieux adapté à un couplage d'énergie optimale entre SP 22642/JL deux composants en optique guidée ou entre un composant en optique guidée et un composant optique en espace libre. Ce type de propriété peut par exemple être utilisée pour optimiser le couplage entre une diode 5 laser qui émet un faisceau optique très astigmatique et un guide de lumière symétrique dont le mode guidé est par exemple très voisin de celui d'une fibre optique.

Un cas extrême est aussi fourni par les lentilles cylindriques pour lesquelles les profils 10 d'indice seront invariants suivant les plans parallèles au plan YOZ.

La maîtrise des profils d'indice de réfraction Ani (x, y) ou éventuellement Ani (x, y, z), par exemple dans le cas de lentilles à surfaces 15 d'entrée ou de sortie convexes, permettant d'obtenir les propriétés d'imagerie souhaitées pour chaque lentille à gradient d'indice constituant le système optique, est un des points de l'invention à bien prendre en considération.

On va maintenant décrire en détail la manière de réaliser les zones d'interconnexion.

Traditionnellement, les lentilles à gradient d'indice vendues dans le commerce présentent des profils d'indice de réfraction paraboliques à 25 symétrie circulaire car l'échange d'ions entre le bain d'échange et le cylindre de verre utilisé se déroule dans des conditions parfaites de symétrie. Ce n'est bien sûr plus possible dans le cas de l'invention pour laquelle les profits d'indice de réfraction doivent 30 être impérativement réalisés à partir de la surface d'un substrat (ou plaquette). Dans ce cas, les profils SP 22642/JL d'indice à réaliser, qui doivent être de forme approximativement parabolique en fonction de la distance ri à l'axe pour obtenir les propriétés optiques d'imagerie requises, nécessitent une suite 5 d'étapes originales qui constituent un autre aspect de l'invention.

La figure 15 représente un élément cylindrique 120 apte à fournir une lentille à symétrie circulaire. Pour ce type d'élément, les profils 10 d'indice à réaliser doivent être, au niveau de chaque plan de coupe Pi, perpendiculaire à l'axe de la lentille et de la forme: Ani (xiyi) = Ani (ri) = n0i*sech (girn) #n0i, (1-gi2ri2/2) avec ri = (xi2 + yi2)1/2, gi [8 (Ani(0)-Ani (roi))/roi2]0'5 et 15 roi est le rayon de la lentille.

Dans cette formule les axes de coordonnées sont Oixi, Oiyi et Oizi (OiXi perpendiculaire au plan de surface de la plaquette OiYi parallèle à ce plan de surface, le plan OiXiYi étant perpendiculaire à l'axe de 20 la lentille 0zi).

Le paramètre gi dépend de la variation d'indice de réfraction entre le centre et le bord de la lentille et du rayon maximal roi de la lentille. La valeur de gi détermine, entre autres, la focale fi et la 25 frontale s1 (distance entre le point focal objet et la face d'entrée de la lentille) de la lentille Li considérée avec: fi = l/noi*gi.sin(gili) si=l/noi.gi.tg (gili) li étant la longueur de la lentille 30 supposée, pour simplifier la présentation et les SP 22642/JL formules mathématiques, avoir de faces d'entrée et de sortie planes.

Il faut cependant retenir que les résultats de l'invention s'appliquent à des lentilles dont les faces d'entrée et de sortie sont par exemple convexes.

L'obtention des profils Ani(ri) souhaités au niveau des éléments d'imagerie repose sur l'approche technologique suivante qui comporte au moins trois étapes.

Une première étape consiste en un échange ionique à travers un masque comportant les formes géométriques appropriées en fonction des ions A et les ions B contenus dans le substrat. Cet échange ionique est par exemple obtenu en trempant la plaquette de 15 verre muni d'un masque de forme géométrique adaptée dans un bain à température T1 contenant des ions A et pendant un temps ti en appliquant favorablement un champ électrique entre la face de substrat sur laquelle est déposé le masque et la face opposée. Cette 20 opération permet d'obtenir un premier profil d'indice de réfraction sur une profondeur d1.

Une deuxième étape consiste à faire rediffuser des ions A dans le substrat en appliquant encore favorablement un champ électrique entre la face 25 du substrat sur laquelle est déposé le masque et la face opposée. Cet échange ionique est par exemple obtenu en trempant la plaquette dans le bain à température T2 contenant des ions B et pendant un temps t2 en appliquant favorablement un champ électrique 30 entre la face du substrat sur laquelle est déposé le masque et la face opposée. Cette opération conduit à SP 22642/JL l'enterrage du profil d'indice précédent sur une profondeur moyenne d2.

Une troisième étape consiste en une rediffusion thermique à une température T3 et pendant 5 un temps t3 sans application de champ électrique.

Suivant les spécifications requises, cette opération peut se faire dans un bain contenant des ions B ou simplement en atmosphère contrôlée.

La figure 16 représente une forme de profil 10 d'indice de réfraction proche des profils souhaitables obtenue avec les paramètres opératoires suivants: - les ions A sont des ions argent Ag+, - les ions B sont des ions sodium Na+, - la température T1 est d'environ 330 C et 15 le temps t1 est d'environ 22 minutes, - la température T2 est d'environ 260 C et le temps t2 est d'environ 80 minutes, - la température T3 est d'environ 330 C et le temps t3 est d'environ 1200 minutes.

An représente la variation d'indice normalisé.

Le masque utilisé peut avoir une ouverture rectangulaire de largeur de l'ordre de ei = 15 tm et de longueur l'i correspondant à la fonctionnalité souhaitée 25 (collimation ou imagerie à distance finie). Le matériau utilisé pour le masquage local des échanges ioniques peut être de différente nature. Parmi les masques les plus courants, on peut citer l'aluminium, l'oxyde d'aluminium, le silicium, le titane ou le nickel mais 30 d'autres matériaux pourraient également convenir.

SP 22642/JL Typiquement et compte tenu des variation d'indice maximale Ani(xi,yi) accessibles par la méthode de fabrication décrite précédemment comprises entre 0,01 et 0,07 et des rayons de lentilles réalisables 5 compris entre 15 et 300gm, la longueur li pourra varier de quelques dizaines de micromètres à quelques millimètres en tenant compte des longueurs focale et des architectures d'imagerie désirées.

La tension électrique V appl iquée pendant 10 les échanges sous champ peut être approximativement de 325 volts.

Eventuellement, il peut être nécessaire pour certaines configurations d'éléments optiques d'introduire une étape supplémentaire entre la première 15 et la deuxième étape décrites ci-dessus. Cette étape supplémentaire consiste en une rediffusion thermique à une température T'1 et pendant un temps t'l. Cette rediffusion est par exemple obtenue en trempant la plaquette dans un bain à température T'1 contenant des 20 ions B et pendant un temps t'l sans application de champ électrique.

Pour obtenir une lentille Li de longueur li et de rayon roi telle que celle représentée schématiquement figure 16, le masque utilisé doit avoir 25 des dimensions voisines d'une ouverture rectangulaire de longueur l'i et de largeur ei.

Les valeurs de l'i et ei dépendent bien sûr des paramètres d'échange et de diffusion choisis pour les diverses étapes de fabrication.

Dans l'exemple pratique donné précédemment on peut voir que pour une ouverture ei de l'ordre de SP 22642/JL gm, le rayon rti de la lentille obtenue est de l'ordre de 110 gm.

La longueur l'i quant à elle, peut être déduite de la longueur li souhaitée en prenant en 5 compte l'élargissement axial causé par l'échange ionique et les diffusions thermiques.

En pratique, l' sera choisie inférieure à li. Il faut cependant garder à l'esprit que si une forme rectangulaire du masque est la plus simple à pouvoir 10 être mise en oeuvre, des géométries légèrement différentes peuvent présenter divers intérêts en fonction des performances d'imagerie souhaitées.

Les figures 17 à 24 représentent différentes configurations de masques utilisables pour 15 mettre en oeuvre la présente invention.

La compensation d'effets de bord trop marqués peut par exemple être obtenue par des formes géométriques de masque telles que celle représentée à la figure 17. Sur cette figure, le masque 300 est 20 pourvu d'une ouverture rectangulaire 301, deux côté adjacents, de l'ouverture étant reliés par un congé.

De même, les phénomènes de diffusion mis en jeu au cours des différentes étapes vont conduire naturellement à des lentilles présentant des faces 25 d'entrée et de sortie convexes. La courbure associée peut alors être accentuée ou au contraire réduite, voire même inversée par l'utilisation de masques de forme géométrique adaptée. Ainsi, la figure 18 représente un masque 310 possédant une ouverture 30 adaptée 311 et la figure 19 représente un masque 320 possédant une ouverture adaptée 321.

SP 22642/JL Bien sûr, de formes intermédiaires avec face d'entrée et face de sortie présentant des courbures différentes peuvent être réalisées par combinaison des formes géométriques décrites. C'est ce 5 que montre la figure 20 qui représente un masque 330 possédant une ouverture 331 de forme non symétrique.

Par ailleurs, les côtés des masques peuvent ne pas être rectilignes comme illustré précédemment afin de réaliser des profils d'indice non constants 10 suivant l'axe des Z et pouvoir modifier les propriétés d'imagerie des composants. Par cette méthode, il est en particulier possible de modifier la valeur des aberrations du composant optique ainsi réalisé et profiter de la souplesse qu'offre la simple 15 modification de la forme géométrique du masque. Des formes possibles sont illustrées par la figure 21 o le masque 340 est pourvu de l'ouverture 341 et par la figure 22 o le masque 350 est pourvu de l'ouverture 251.

Il est encore possible d'utiliser des masques segmentés pour obtenir des modifications plus brutales des profils d'indice et profiter de certains effets de bord. Les figures 23 et 24 donnent des exemples possibles de telles géométries. La figure 23 25 montre un masque 360 possédant une ouverture principale centrale 361, des ouvertures secondaires latérales 362 et 363 d'un même coté de l'ouverture centrale et des ouvertures secondaires latérales 364 et 365 d'un autre coté (opposé au précédent) de l'ouverture centrale. La 30 figure 24 montre un masque 370 possédant des ouvertures centrales 371 et 372, des ouvertures secondaires SP 22642/JL latérales 373 et 374 d'un même coté par rapport aux ouvertures centrales et des ouvertures secondaires latérales 375 et 376 d'un autre coté (opposé au précédent) par rapport aux ouvertures centrales.

Bien entendu, dans le cas d'un système optique comportant plusieurs lentilles et suivant en particulier les profondeurs d'enterrage de chacun des composants, il peut être nécessaire de séparer les étapes de réalisation des différents éléments du 10 système si les paramètres d'échange et de diffusion sont très différents. Dans ce cas, les éléments les plus étendus en profondeur seront réalisés en premier et par ordre d'extension. Les durées d'échanges et de diffusion seront alors calculées pour chaque élément 15 réalisé en tenant compte des opérations antérieures et postérieures.

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Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Circuit intégré photonique comprenant un substrat (1) comportant au moins un circuit optique (4) 5 et des moyens d'interconnexion (2, 3) du circuit optique (4) avec au moins un composant optoélectronique (6, 8, 9, 11, 12) rapporté sur le substrat, les moyens d'interconnexion étant constitués d'au moins une zone dudit substrat dont l'indice de réfraction est modifié 10 pour assurer ladite interconnexion.

2. Circuit intégré photonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone du substrat (2, 3) est une zone obtenue par modification 15 locale de l'indice de réfraction du substrat.

3. Circuit intégré photonique selon l'une des revendication s 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit optique (4) est un circuit réalisé par une 20 technique d'échange ionique.

4. Circuit intégré photonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite zone de substrat (2, 3) est une zone 25 réalisée par une technique d'échange ionique.

5. Circuit intégré photonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite zone du substrat (2,3) comprend au moins une 30 lentille à gradient d'indice.

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6. Circuit intégré photonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit optique (4) comporte un guide optique dont une extrémité est située en vis-à-vis de ladite zone du 5 substrat afin de réaliser une connexion avec ladite zone du substrat.

7. Circuit intégré photonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone du 10 substrat est localisée dans le substrat de façon à être en vis-à-vis d'une entrée ou d'une sortie du composant optoélectronique afin de réaliser une connexion avec ledit composant optoélectronique.

8. Circuit intégré photonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone du substrat (62) comprend au moins deux lentilles à gradient d'indice (162, 262) dont les axes sont décalés l'un par rapport à l'autre.

9. Circuit intégré photonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant optoélectronique (6, 8, 9, 11) est rapporté en périphérie du substrat (1).

10. Circuit intégré photonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant optoélectronique (12) est rapporté sur la surface du substrat (1).

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11. Circuit intégré photonique selon la revendication 10, caractérisé en ce que le substrat (1) est pourvu d'au moins une cavité (5) permettant le logement d'au moins un composant optoélectronique (12).

12. Circuit intégré photonique selon la revendication 10, caractérisé en ce que le substrat est pourvu d'au moins une cavité permettant le logement d'au moins un composant optique. 10

13. Procédé de fabrication collective de circuits intégrés photoniques tels que définis dans la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - fourniture d'une plaquette (100) destinée à fournir autant de substrats (1) qu'il y a de circuits intégrés photonique à réaliser, - réalisation sur la plaquette (100) des moyens d'interconnexion (2, 3) pour chaque circuit 20 intégré photonique, - réalisation sur la plaquette (100) du circuit optique de chaque circuit intégré photonique, - éventuellement, réalisation sur la plaquette des moyens de logement (5) d'au moins un 25 composant optoélectronique et/ou optique pour chaque circuit intégré photonique, découpe de la plaquette pour obtenir les circuits intégrés photoniques.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de SP 22642/JL report du d'ajout d'au moins un composant optoélectronique et/ou d'au moins un composant optique pour compléter les circuits intégrés photoniques.

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