FR2862767A1 - Dispositif optique a actionnement thermo-pneumatique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif optique comportant :- au moins une cavité optique (24),- au moins un guide optique (22), dirigé vers la cavité,- un liquide pouvant se déplacer dans la cavité et modifiant la propagation optique d'un rayonnement transmis par la guide optique vers la cavité optique,- des premiers moyens (32) pour induire un chauffage d'un premier gaz dans une première chambre (30) de chauffage en communication avec la cavité optique.

Description

Les composants de type optique intégrée sont basés sur des structures

de type DOS (Digital Optical Switches) ou MZI (Mach-Zehdher Interferometer) utilisant les effets thermo-optique ou électro-optique

pour réaliser la fonction de commutation, en modifiant localement l'indice du matériau.

Des solutions mécaniques sont proposées pour résoudre les problèmes de sensibilité à la longueur d'onde et à la polarisation des composants optiques intégrés . Les principales approches sont soit basées sur le mouvement d'une fibre optique, soit sur le mouvement d'un guide optique commandé par un actionneur intégré sur la même puce, soit par la mouvement de micro-miroirs, soit encore par la présence contrôlée de liquide adaptateur d'indice dans des gaps situés aux intersections d'une matrice de guides optiques...

Les solutions basées sur le mouvement de fibres optiques ou de guides optiques sont limitées en terme de nombre de voies d'entrée-sortie accessible (taille de la matrice).

Les solutions de type 3D à base de micro-miroirs sont certes intéressantes pour les matrices de très grandes tailles (type 1000 x 1000) mais du fait de la propagation en espace libre, ces solutions présentent dans l'état actuel des problèmes de pertes d'insertion, de connectique complexe avec les fibres optiques et donc de coût.

Parmi les solutions de type 2D, certaines approches, illustrées sur les figures lA - 2B mettent en oeuvre des guides optiques 4, 6 permettant de guider un faisceau 1 et un dispositif 8, 18 localisé à l'intersection de deux portions 4, 14 d'un guide optique ou de deux guides optiques 4, 6. La fonction de ce dispositif 8, 18 est d'intervenir sur la propagation de la lumière, par exemple pour réaliser une fonction de commutation. Dans certaines de ces réalisations, le dispositif intervenant sur la propagation de la lumière est un miroir 8 mobile introduit dans une cavité gravée.

Ainsi, les figures 1A et 2A sont des vues en coupe de ce dispositif selon un plan passant par le guide 4, 14 tandis que les figures 1B et 2B sont des vues de dessus d'un autre dispositif. Sur ces figures est représentée une cavité 2, 12 et un dispositif 8, 18 par exemple un miroir pouvant se déplacer dans cette cavité 2, 12. Sur les figures 1A et 1B, le miroir 8, 18 n'interagit pas avec un faisceau 1 guidé par le guide 4. Le faisceau est alors transmis via la cavité 2, 12 dans la portion 14 de guide située de l'autre côté de la cavité. Sur les figures 2A et 2B, un miroir 8, 18 est placé dans la cavité 2, 12 et interagit, de ce fait, avec un faisceau 1 qu'il réfléchit, soit vers la portion 4 du guide (figure 2A), soit vers un deuxième guide 6 (figure 2B).

Cette approche nécessite de mettre en oeuvre une technique adaptée pour assurer un très bon positionnement du miroir par rapport au guide optique sous peine de pertes d'insertions très fortes.

Pour écarter ce problème, d'autres approches proposent de réaliser un miroir diélectrique directement dans les couches composant le guide optique lors de la réalisation de la cavité. Dans ce cas, le miroir est réalisé par l'interface entre la cavité et l'extrémité du guide, ce qui assure son bon alignement par rapport aux guides optiques. Le miroir est alors fixe et la fonction de commutation est assurée par le mouvement d'un liquide d'indice dans la cavité : en présence de liquide d'indice, la lumière est transmise (fonction de transmission) ; en l'absence de liquide d'indice, la lumière est réfléchie sur l'interface diélectrique/air (fonction de réflexion, éventuellement totale selon l'angle entre le guide et l'interface) formé par le guide et la cavité qui est vide. Ces différentes configurations élémentaires peuvent permettre de fabriquer des matrices 20 de brassage optique, comme le montre la figure 3 sur laquelle, à l'intersection de guides optiques 22, 24 sont disposées des cavités 26 avec ou sans dispositif de commutation.

Dans les solutions basées sur la présence contrôlée de liquide adaptateur d'indice dans des cavités situées sur le trajet de guides optiques, les fonctions optiques sont réalisées grâce au mouvement du liquide d'indice dans la cavité.

Par exemple, pour une fonction de commutation, l'état de transmission est obtenu lorsque la cavité est remplie de liquide adaptateur d'indice, l'état de réflexion est obtenu lorsque la cavité est dépourvue de liquide.

On cherche à assurer la présence du liquide d'indice dans la cavité optique; Pour réaliser ceci, 30 différentes solutions ont été proposées.

Certains documents décrivent des composants optiques intégrés basés sur le déplacement d'une goutte de liquide dans une cavité optique placée sur le chemin d'un guide optique.

Ainsi, le document [1] décrit la création d'une bulle le liquide d'indice présent dans la cavité grâce à une commande thermique.

Le document [2] cité en fin de la présente description décrit le déplacement de la goutte de liquide d'indice (ou d'une bulle dans le liquide d'indice) par thermo-capillarité.

Le document [3] décrit le déplacement d'une goutte de liquide par différents effets physiques.

Il décrit en particulier un changement des propriétés réfractives du liquide sous l'effet d'un champ magnétique, électrique ou par effet thermique.

Il décrit aussi un électrolyte, précipitant en surface réfléchissante quand un champ électrique est appliqué. Il y a disparition de la surface si le courant est inversé.

Il décrit aussi un mouvement du liquide dans une tranchée avec des actionnements mécaniques, ou électriques ou magnétiques.

Il décrit enfin l'utilisation de deux 25 liquides non miscibles présentant des propriétés optiques différentes.

Le document [4] décrit le déplacement de la goutte de liquide d'indice par actionnement mécanique, de façon à éviter le chauffage du liquide d'indice pour 30 des questions de fiabilité du composant.

Les dispositifs connus posent certains problèmes.

Les solutions d'actionnement permettant le mouvement du liquide d'indice présentent des limitations très importantes. En particulier: - Le chauffage du liquide d'indice, même localisé, entraîne des problèmes de vieillissement accéléré. C'est le cas par exemple pour les solutions illustrées dans les documents [2] ou [1].

- La solution proposée dans le document [4], de par la configuration d'un actionnement qui s'effectue perpendiculairement au substrat, conduit à un empilement technologique complexe. De plus cette solution impose de travailler avec des volumes de liquide très faibles (environ 10 pL), très inférieurs à ce qui est communément utilisé en micro-fluidique. Cet aspect conduit à une gestion complexe de liquide lors des phases de remplissage et de fonctionnement du composant.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention propose une solution technique qui ne présente pas les limitations exposées ci-dessus.

L'invention concerne d'abord un dispositif optique comportant: - au moins une cavité optique, - au moins une voie optique ou un moyen de guidage optique, dirigé vers la cavité, - un liquide pouvant se déplacer dans la cavité et modifiant la propagation optique d'un rayonnement transmis par la voie optique vers la cavité optique, - des premiers moyens pour induire un chauffage d'un premier gaz dans une première chambre de chauffage en communication avec la cavité optique.

On entend par voie optique tout moyen pour véhiculer un faisceau optique, ou tout moyen de guidage d'un faisceau ou d'un rayonnement optique, tel que par exemple un guide optique, une fibre optique, ou encore un espace libre.

Il est ainsi possible de réaliser un déplacement du liquide permettant de modifier les propriétés optiques de la cavité en évitant un actionnement thermique direct sur le liquide.

Le liquide peut être un liquide d'indice ou un liquide réfléchissant ou un mélange des deux.

Un premier canal de liaison peut relier la première chambre et la cavité optique.

Une première valve peut être prévue entre la première chambre et le premier canal de liaison, et éventuellement une deuxième valve entre le premier canal et la cavité.

La première et/ou la deuxième valve peut être une valve passive, par exemple une valve 25 comportant une restriction capillaire.

Selon un autre exemple de réalisation de valve qui peut être combiné avec l'exemple précédent la première et/ou la deuxième valve comporte au moins une zone de mouillabilité différente de celle du reste du canal.

Des deuxièmes moyens peuvent être prévus pour induire un chauffage d'un deuxième gaz dans une deuxième chambre de chauffage en communication avec la cavité optique.

Une chambre tampon peut être en communication avec la cavité ou la deuxième chambre. Cette chambre tampon permet d'éviter l'apparition de surpressions et contribue ainsi à un fonctionnement optimal du dispositif.

De préférence, la deuxième chambre et la chambre tampon correspondent à la même chambre.

Une chambre tampon peut être en communication avec la première chambre ou le premier canal. Cette chambre tampon permet d'éviter d'éventuelles surpressions dans la première chambre lorsque les deuxièmes moyens de chauffage sont activés.

Un deuxième canal de liaison peut relier la deuxième chambre et la cavité optique.

Une troisième valve peut en outre être prévue entre la deuxième chambre et le deuxième canal de liaison et, éventuellement, une quatrième valve entre le deuxième canal de liaison et la cavité.

La troisième et/ou la quatrième valve peut être une valve passive, par exemple du type comportant une restriction capillaire et/ou au moins une zone de mouillabilité différente de celle du reste du deuxième canal.

Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif comporte deux cavités optiques séparées par une cavité de bi-stabilité, les cavités optiques étant plus larges ou moins larges que la cavité de bistabilité.

Deux voies ou plusieurs voies optiques peuvent déboucher dans la cavité.

L'invention permet de réaliser des composants tels que obturateur, atténuateur variable, commutateur.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

- Les figures 1A-2B représentent des dispositifs selon l'art antérieur, la figure 3 est un exemple de matrice de brassage optique, - la figure 4 est un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 5 est un schéma d'une valve passive à restriction capillaire, - les figures 6A-6D représentent différentes configurations de valves passives obtenues grâce à des restrictions capillaires, - les figures 7A et 7B représentent un obturateur en fonctionnement respectivement en transmission et en réflexion, - les figures 8A et 8B représentent respectivement un commutateur 1X2 et un commutateur 2X2, - les figures 9A et 9B représentent un commutateur 2 x 2 bi-stable, dans une configuration respectivement mouillante et non-mouillante .

- les figures 10A à 10E représentent des étapes de réalisation d'un dispositif selon l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Une structure, objet de l'invention, illustrée sur la figure 4 comporte une structure optique 20, apte à guider la lumière, comportant au moins une voie et plus particulièrement dans cet exemple un guide optique 22. Pour simplifier la description, on prendra dans la suite du texte comme exemple de voies optiques, des guides optiques.

Elle comporte aussi au moins une cavité optique 24, dans laquelle débouche la voie optique.

Un liquide 26 est apte à se déplacer dans la cavité optique. Ce liquide peut être un liquide d'indice, ou un liquide réfléchissant ou un mélange de liquides éventuellement non miscibles entre eux. On peut également utiliser un liquide d'indice présentant au moins une bulle de gaz à l'intérieur.

Au moins une première chambre 30 dite de chauffage, est remplie d'un gaz, par exemple de l'air ou de l'azote, et comporte une électrode de chauffage 32. Elle est reliée à la cavité optique 24 par l'intermédiaire d'un canal 34 de liaison (CL1).

L'ensemble constitue un actionneur thermo-pneumatique.

Au moins une chambre tampon 40 est, elle aussi remplie d'un gaz, et permet l'équilibrage de pression. Elle est aussi reliée à la cavité 24 optique soit directement soit par l'intermédiaire d'un second canal 42 de liaison. Cette chambre peut servir également de seconde chambre de chauffage et comporter, comme représenté, une électrode de chauffage 41.

Des valves passives 50, 52 sont situées au niveau des jonctions 30-34, 4042 et éventuellement aussi au niveau des jonctions 42-24 et 34-24, selon la fonction optique désirée. Ces valves passives permettent la gestion ou le contrôle du liquide d'indice entre les différentes cavités. Elles peuvent être constituées soit de restrictions capillaires (modifications des géométries des sections) soit de traitements de surfaces particuliers induisant des modifications des propriétés de capillarité des surfaces. Ces valves constituent des obstacles à la circulation du liquide d'indice, qui ne pourra se faire que si une pression supplémentaire est appliquée d'un côté de la goutte de liquide.

L'augmentation de la température dans la chambre de chauffage 30 par l'intermédiaire de l'électrode de chauffage 32, induit une augmentation de pression du gaz contenu dans cette chambre d'actionnement. Cette augmentation de pression se transmet à l'interface gaz-liquide, qui est alors amené à se déplacer le long du canal. Le mouvement du liquide dans la cavité optique 24 modifie les propriétés optiques de celle-ci. La propagation de la lumière dans la structure optique 20 est donc aussi modifiée, et notamment celle de la lumière provenant du guide 22 et donc de réaliser des composants optiques.

La mise en uvre de valves passives 51, 53 30 au niveau de la cavité optique 24 peut permettre de définir des positions stables du liquide dans cette cavité.

Ainsi des fonctions particulières peuvent être réalisées, comme par exemple: obturateur, ou atténuateur variable, ou commutateur optique. De plus, ces composants élémentaires peuvent être montés en barrettes, ou en matrices, etc... par exemple pour réaliser des matrices de brassage optique.

De préférence, la cavité optique a une largeur li réduite (par exemple environ 5 pm à 20 pm) de manière à limiter la propagation en espace libre de la lumière, qui induit un élargissement du faisceau et entraîne des pertes optiques. Cela impose des contraintes sur les géométries. En particulier si l'on désire utiliser des valves passives à base de restriction capillaire pour les jonctions 51, 53, on travaille de préférence avec des cavités de liaison 34, 42 de largeur 12, 13 supérieures à celle (11) de la cavité optique, donc avec des surfaces mouillantes pour le liquide utilisé au niveau des cavités de liaison et de la cavité optique, afin que la zone stable soit au niveau de la cavité optique.

La présence d'une seconde chambre 40 permet l'équilibrage des pressions lors des déplacements du liquide dans la structure. En effet, le composant selon l'invention, dans les applications optiques envisagées, fonctionne en général en état fermé, c'est-à-dire qu'il est hermétique par rapport à l'extérieur. Cette configuration permet en particulier de pouvoir travailler avec des volumes de liquide faibles en évitant les problèmes d'évaporation si le milieu était en contact avec l'extérieur.

Le volume de la chambre 40 est suffisamment grand pour que la surpression créée dans cette chambre par le déplacement de la goutte de liquide, et qui a tendance à s'opposer à ce déplacement, n'excède pas les possibilités de l'électrode chauffante 32 (qui permet de provoquer le déplacement désiré) ou la capacité de blocage d'une éventuelle valve passive 53 ou 51 permettant de maintenir le liquide dans une position donnée, après déplacement.

Si le fonctionnement est réversible, c'est-à-dire si la goutte de liquide est amenée à se déplacer en direction de la chambre 30 de chauffage, les mêmes considérations que pour la chambre 40 sont à appliquer, en terme de volume pour la chambre 30.

Les valves passives 50, 52 permettent d'interdire au liquide d'indice de pénétrer dans les chambres 30, 40 de chauffage. La dimension de chacune de ces valves passives est choisie de préférence de sorte que la surpression engendrée par le chauffage d'une des résistances ne permette pas au liquide de franchir la valve passive ainsi formée. Ainsi le liquide ne pourra pas pénétrer dans la chambre opposée à la chambre où le chauffage est activé.

Les valves passives 51, 53, éventuellement ajoutées au niveau des liaisons avec la cavité 24 permettent de gérer ou de contrôler le positionnement du liquide. En particulier, l'utilisation de ces valves passives permet de créer des états stables pour lesquels la position du liquide restera dans la 2862767 14 dernière position obtenue, même après annulation de l'actionnement thermo-pneumatique (annulation du chauffage de l'électrode 32 ou 41).

Des valves passives, fonctionnant sur la base de phénomènes de capillarité, sont décrites dans le document de M.R.McNeely et al, Hydrophobic Microfluidics, SPIE, vol.3877, Sept 1999, p. 210. Dans le cas d'une valve passive 51 obtenue par restriction capillaire (figure 5), la différence de pression à appliquer pour permettre au liquide 60 de passer l'obstacle est donnée par l'équation suivante: P = 26cosK1+1\ /'1+11 \e, h,) e2 h2 où el, e2, hl, h2 sont les largeurs, et hauteur des canaux avant et après le changement de dimension, a est la tension superficielle et k l'angle de contact du liquide sur le matériau constituant les parois.

Selon l'aspect mouillant ou non mouillant du liquide sur la surface considérée, les zones stables et non stables ne sont pas les mêmes et la différence de pression n'a pas le même signe. Dans le cas d'un liquide mouillant une pression positive permet de forcer le liquide dans un élargissement de section. Par contre dans le cas d'un rétrécissement de section le mouvement est spontané (pression négative). Avec un liquide non mouillant on obtient les phénomènes inverses. Les quatre configurations possibles, élargissement ou rétrécissement, liquide mouillant ou non mouillant, sont illustrés sur figures 6A-6D: - figure 6A: cas d'un liquide mouillant et d'un élargissement, la pression à appliquer est positive, - figure 6B: cas d'un liquide non mouillant et d'un élargissement, la pression à appliquer est négative et le mouvement spontané, - figure 6C: cas d'un liquide mouillant et d'une restriction, la pression à appliquer est négative, - figure 6D: cas d'un liquide non mouillant et d'une restriction, la pression à appliquer est positive.

L'invention permet de mettre en oeuvre un actionnement de type thermopneumatique avec des structures optiques guidantes pour réaliser différentes fonctions optiques, en évitant un actionnement thermique direct sur le liquide et réduisant la complexité technologique de solutions telles que celles à actionnement électro-mécanique.

Cette mise en oeuvre est rendue possible grâce à une structure comportant une cavité optique et des chambres permettant l'équilibrage des pressions. Des valves permettent de gérer ou de contrôler les déplacements de liquides d'indice dans la structure.

L'invention peut être appliquée de manière très avantageuse pour réaliser des fonctions optiques telles que celles décrites ci-dessus.

Dans le cas d'un obturateur, celui-ci peut fonctionner en transmission ou en réflexion.

Dans le cas du fonctionnement en transmission (figure 7A), la structure guidante est constituée d'au moins une voie optique 22, 122 de chaque côté de la cavité optique 24, faisant un angle non nul avec cette cavité. Le liquide est de préférence un liquide réfléchissant, par exemple du mercure.

Lorsque ce liquide se trouve hors de la cavité optique 24, le faisceau se propage de la première voie optique 22 vers la deuxième voie optique 122. Lorsque ce liquide se trouve dans la cavité optique, ses propriétés réfléchissantes bloquent la propagation du faisceau et permettent ainsi de l'obturer.

Dans le cas du fonctionnement en réflexion (figure 7B), la structure guidante est constituée d'au moins deux voies optiques 222, 322 du même côté de la cavité optique, faisant un angle non nul entre eux. Le liquide est de préférence un liquide réfléchissant, par exemple du mercure. Lorsque ce liquide se trouve dans la cavité optique 24, le faisceau se propage de la première voie optique 222 vers la deuxième voie optique 322, grâce à la réflexion sur l'interface liquide.

Lorsque ce liquide est hors de la cavité optique, le faisceau n'est plus réfléchi vers la deuxième voie optique ce qui permet d'obturer le faisceau dans la voie 322.

Dans le cas d'un atténuateur variable, la 25 structure est la suivante: les structures guidantes peuvent être les mêmes que pour l'obturateur, les liquides peuvent être de même nature que dans le cas de l'obturateur.

Lorsque l'interface liquide-gaz se propage dans le champ de la voie optique, la propagation du signal est modifiée (réflexion partielle ou déviation due au ménisque liquide-gaz), ce qui conduit à des pertes optiques, d'où la fonction d'atténuation.

Dans le cas de commutateurs optiques, les configurations possibles sont par exemple les suivantes: commutateur 1 x 2 ou commutateur 2 x 2.

Dans le cas du commutateur 1 x 2 (figure 8A), la structure guidante est constituée de deux voies optiques 21, 221 d'un côté et d'une voie optique 121 de l'autre côté de la cavité 24. Les voies 21 et 121 sont situées de préférence dans le prolongement l'une de l'autre. La voie 221 fait un angle 20 avec la voie 21, 0 étant égal à l'angle entre la voie 21 et la normale N au plan de réflexion (plan de la cavité optique où débouche la voie 21).

Le liquide peut être un liquide d'indice ou un liquide réfléchissant: É Dans le cas du liquide d'indice, - lorsque celui-ci se trouve hors de la cavité, la voie 21 cdmmunique avec la voie 221 car il y a réflexion totale sur la surface de la cavité, - lorsque le liquide se trouve dans la cavité, la voie 21 communique avec la voie 121 (transmission dans le liquide d'indice).

É Dans le cas du liquide réfléchissant: - lorsque celui-ci se trouve hors de la cavité, la voie 21 communique avec la voie 121 (transmission dans la cavité), - lorsque le liquide se trouve dans la 30 cavité, la voie 21 communique avec la voie 221 (réflexion sur l'interface liquide).

Une combinaison de liquides peut être utilisée, par exemple un liquide réfléchissant et un liquide d'indice. Cette configuration permet d'optimiser la transmission dans la cavité lorsque le liquide réfléchissant est positionné hors de la cavité optique.

Dans le cas du commutateur 2 x 2 (figure 8B) la structure guidante est constituée de deux voies optiques 21, 221 d'un côté de la cavité 24 et de deux voies optiques 121, 321 de l'autre côté. Les voies 21 et 121 ainsi que les voies 221 et 321 sont situées de préférence dans le prolongement l'une de l'autre. La voie 221 fait un angle 20 avec la voie 21 (de même entre 321 et 121), l'angle 6 étant l'angle entre la voie 21 et la normale au plan de réflexion (plan de la cavité optique où débouche la voie 21).

Le liquide peut être un liquide d'indice ou un liquide réfléchissant: É Dans le cas du liquide d'indice: - lorsque celui-ci se trouve hors de la cavité 24, la voie 21 communique avec la voie 121 et la voie 321 communique avec la voie 221 (condition de réflexion totale sur les interfaces de la cavité), - lorsque le liquide se trouve dans la cavité, la voie 21 communique avec la voie 121 et la voie 321 communique avec la voie 221 (transmission dans le liquide d'indice).

É Dans le cas du liquide réfléchissant: - lorsque celui-ci se trouve hors de la 30 cavité, la voie 21 communique avec la voie 121 et la voie 321 communique avec la voie 221 (transmission dans la cavité), - lorsque le liquide se trouve dans la cavité, la voie 21 communique avec la voie 221 et la voie 321 communique avec la voie 121 (réflexions sur les interfaces liquides).

Une combinaison de liquides peut être utilisée, par exemple un liquide réfléchissant et un liquide d'indice. Cette configuration permet d'optimiser la transmission dans la cavité lorsque le liquide réfléchissant est positionné hors de la cavité optique.

Ces différentes fonctions peuvent bénéficier avantageusement d'états stables réalisés avec des valves passives 51, 53.

Aucune valve n'est représentée sur les figures 7A-8B. Mais des valves peuvent être utilisées, comme décrit précédemment et avec les mêmes avantages.

A titre d'exemple, les figures 9A et 9B présentent un commutateur 2 x 2 bi-stable, la bistabilité étant obtenue grâce à des restrictions capillaires. Deux configurations sont représentées: configuration mouillante (figure 9A) et non mouillante (figure 9B).

Dans les deux cas, le dispositif comporte deux cavités 24, 124 séparées par une cavité 224 de bistabilité. Dans la configuration de la figure 9A (resp. : figure 9B), les zones stables sont les zones rétrécies (resp. : élargies) 24, 124 séparées par la cavité 224 de bi-stabilité.

La structure guidante est constituée de deux voies optiques 21, 221 d'un côté de la cavité 24 et de deux voies optiques 121, 321 de l'autre côté de la cavité 24. Les voies 21 et 121 ainsi que les voies 221 et 321 sont situées de préférence dans le prolongement l'une de l'autre. La voie 221 fait un angle 20 avec la voie 21 (de même entre 321 et 121), l'angle 9 étant l'angle entre la voie 21 et la normale au plan de réflexion (plan de la cavité optique où débouche la voie 21).

Le liquide peut être un liquide d'indice ou un liquide réfléchissant: É Dans le cas du liquide d'indice: - lorsque celui-ci se trouve hors de la cavité 24, la voie 21 communique avec la voie 221 et la voie 321 communique avec la voie 121 (condition de réflexion totale sur les interfaces de la cavité 24), - lorsque le liquide se trouve dans la cavité 24, la voie 21 communique avec la voie 121 et la voie 321 communique avec la voie 221 (transmission dans le liquide d'indice).

É Dans le cas du liquide réfléchissant: - lorsque celui-ci se trouve hors de la cavité 24, la voie 21 communique avec la voie 121 et la voie 321 communique avec la voie 221 (transmission dans la cavité), - lorsque le liquide se trouve dans la cavité 24, la voie 21 communique avec la voie 221 et la voie 321 communique avec la voie 121 (réflexions sur les interfaces liquides).

Les valves passives 50 et 52 permettent d'isoler les chambres de chauffage 30, 40 des cavités optiques 24, 124 afin que le liquide ne pénètre pas dans l'une ou l'autre des chambres de chauffage.

La cavité de bi-stabilité 224 permet, grâce aux valves passives 151 et 153 de soumettre la circulation du liquide entre les deux cavités optiques 24, 124 à une condition de pression. Dans cette configuration le liquide est maintenu dans une cavité optique par le couple de valves passives (50, 151) ou (52, 153). L'effet thermo-pneumatique n'est activé que pour permettre le déplacement entre les deux cavités optiques 24, 124.

Un exemple de dimensionnement va être 15 donné, avec les deux hypothèses suivantes: - tous les canaux ont la même hauteur, ce qui correspond à l'exemple de réalisation technologique donnée plus loin. Cette hauteur pourra être comprise entre 10 pm et 50 pm par exemple.

- Il s'agit d'une configuration mouillante (voir paragraphes précédents). Dans ces conditions, la cavité optique a une largeur la plus réduite

possible (autour de 5 à 20 pm) de manière à limiter la propagation en espace libre de la lumière qui induit un élargissement et entraîne des pertes optiques. Selon les structures guidantes utilisées et le volume de la goutte de liquide cette cavité peut avoir une longueur comprise entre 20 pm et 100 pm.

Dans ce cas, pour assurer la protection des chambres de chauffage, les valves passives 50, 52 sont constituées d'un élargissement entre la cavité optique 24 et la chambre 30 de chauffage. La chambre de chauffage a une largeur de 250 pm à 1 mm.

Le volume des chambres de chauffage 30, 40 est prévu suffisamment grand pour que la surpression créée dans ces chambres par le déplacement de la goutte de liquide n'excède pas les possibilités de l'électrode chauffante 32 ou la capacité de blocage de la valve passive 151 placée au niveau de la cavité de bi- stabilité. Le volume de chacune de ces chambres pourra être par exemple compris entre 2 nL et 15 nL.

La zone 224 de bi-stabilité met en jeu les valves passives 151 et 153. Pour assurer un blocage partiel de la goutte de liquide, blocage pouvant être surmonté par l'activation d'un des deux chauffages, ces valves ont la forme d'un élargissement entre la cavité optique 24 et la zone de bistabilité. Cette zone pourra alors avoir une largeur comprise entre 7 pm et 70 pm.

Le volume de la goutte de liquide peut être compris entre 2 pL et 100 pL.

Le tableau I ci-dessous rassemble des dimensions pouvant être adoptées pour un dispositif selon l'invention en vue de la réalisation d'une matrice de commutation.

Cavité optique 24 Largeur 9 pm Longueur 40 pm Volume 10,8 pL Cavité de bistabilité 224 Largeur 30 pm Longueur 15 pm Volume 13,5 pL Cavité de chauffage 30, 40 Largeur 500 pm Longueur 500 pm Volume 7,5 nL Un exemple de réalisation va maintenant être donné.

Les technologies de fabrication utilisées sont les techniques de fabrication collective utilisées dans les domaines de la microélectronique et des microtechnologies: dépôts de couches minces, photolithographie, gravure anisotrope ou isotrope, dépôts de métaux etc... .

Les figures 10A - 10E présentent un mode de fabrication possible selon une coupe de la figure 9A dans un plan passant par les cavités de liaison.

La fabrication des guides optiques peut être réalisée à partir de toutes techniques classiques utilisant par exemple de la silice sur silicium, ou des polymères, ou des InP, ou des SOI, ou des GaAs, etc Cette fabrication comporte en général la réalisation de deux éléments: - un substrat 100, qui comporte une structure guidante 102, des cavités 108a, 108b et 110 et dans lesquelles circule un liquide, et deux chambres de chauffage 111, 113; - un capot 120, qui comporte des électrodes 130, 132 et des plots de contact 131, 133.

Dans la réalisation technologique proposée, la structure guidante 102 est composée de trois couches optiques 104, 105, 106 en silice à écart d'indice, formées sur un substrat 100 en silicium (figure 10A). Le capot 120 est réalisé par exemple en Pyrex et les électrodes 130, 132 et les plots 131 et 133 en platine ou en Ti-TiN ou encore en polysilicium.

La référence 109 désigne un guide optique 15 débouchant dans la cavité.

A titre d'exemple, pour réaliser le guide 102, il y d'abord dépôt de couches de silices différemment dopées, puis structuration du c ur 105 par photolithographie et gravure et recouvrement par de la silice optique.

Les cavités peuvent être ensuite réalisées par gravure de la silice (figure 10B). On procède à cette fin au dépôt d'une couche de silicium amorphe servant de masque à la gravure, dit masque dur, puis à la photolithographie et à la gravure de ce masque dur, à la gravure des cavités, et enfin au retrait du masque dur.

Le capot et les électrodes de chauffage 130, 132 ainsi que les plots 131 et 133 sont ensuite réalisés. On utilise un capot 120 en Pyrex, puis on évapore du platine sur toute sa surface.

Enfin, on procède à une structuration des électrodes et des plots du capot par gravure ionique (figure 10C).

A ce stade, on réalise une encapsulation des électrodes et des plots, par exemple par dépôt d'une couche 140 de SiO2 ou de S13N4 qui est ouverte ensuite au niveau des électrodes chauffantes, par exemple par photolithogravure RIE (figure 10D).

Le capot comportant les électrodes est scellé sur le substrat comportant les guides optiques et les cavités par exemple par adhésion moléculaire ou par scellement eutectique ou anodique ou par résine (figure 10E).

Un des éléments (dans cet exemple le capot 120) est ensuite usiné de manière à permettre, par des ouvertures 141, 143 l'accès aux plots de contact 131 et 133.

L'invention permet donc notamment de réaliser une structure optique avec guides optiques et cavité gravée et avec un actionnement thermopneumatique.

L

26 Références citées [1] : Brevet US n 5 699 462, décembre 1997.

[2] : Publication NTT "Micromechanical Optical Switches Based on Thermocapillarity Integrated in Waveguide Substrate", M. Makihara..., Journal of Lightwave Technology, vol. 17, n 1, January 1999.

[3] : brevet US n 4 505 539, Mars 1985 [4] : Brevet français N 0016148 de décembre 2000.

Claims (24)

REVENDICATIONS

1. Dispositif optique comportant: - au moins une cavité optique (24), - au moins une voie optique (22), dirigée vers la cavité, - un liquide pouvant se déplacer dans la cavité et modifiant la propagation optique d'un rayonnement transmis par la voie optique vers la cavité optique, - des premiers moyens (32) pour induire un chauffage d'un premier gaz dans une première chambre (30) de chauffage en communication avec la cavité optique.

2. Dispositif selon la revendication 1, le liquide étant un liquide d'indice ou un liquide réfléchissant ou un mélange des deùx.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre un premier canal de liaison (34) entre la première chambre et la cavité optique.

4. Dispositif selon la revendication 3, comportant une première valve (50) entre la première chambre (30) et le premier canal de liaison (34).

5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, comportant en outre une deuxième valve entre le premier canal (30) et la cavité (24).

6. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, la première et/ou la deuxième valve étant une valve passive.

7. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, la première et/ou la deuxième valve comportant une restriction capillaire.

8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, la première et/ou la deuxième valve comportant au moins une zone de mouillabilité différente de celle du premier canal.

9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, comportant des deuxièmes moyens (41) pour induire un chauffage d'un deuxième gaz dans une deuxième chambre de chauffage (40) en communication avec la cavité optique.

10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comportant une chambre tampon en communication avec la cavité ou la deuxième chambre.

11. Dispositif selon la revendication 9, la deuxième chambre constituant une chambre tampon.

12. Dispositif selon l'une des

revendications précédentes, comportant une chambre

tampon en communication avec la première chambre ou le premier canal.

13. Dispositif selon la revendication 5, comportant un deuxième canal (42) de liaison entre la deuxième chambre et la cavité optique.

14. Dispositif selon la revendication 13, comportant une troisième valve (52) entre la deuxième chambre (40) et le deuxième canal de liaison.

15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, comportant en outre une quatrième valve (51) entre le deuxième canal de liaison (42) et la cavité (24).

16. Dispositif selon la revendication 14 ou 15 15, la troisième et/ou la quatrième valve étant une valve passive.

17. Dispositif selon l'une des revendications 13 à 16, la troisième et/ou la quatrième 20 valve comportant une restriction capillaire.

18. Dispositif selon l'une des revendications 13 à 17, la troisième et/ou la quatrième valve comportant au moins une zone de mouillabilité différente de celle du reste du deuxième canal.

19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, comportant deux cavités optiques séparées par une cavité de bi-stabilité (224).

20. Dispositif selon la revendication 19, les cavités optiques étant plus larges que la cavité de bi-stabilité.

21. Dispositif selon la revendication 19, les cavités optiques étant moins larges que la cavité de bi-stabilité.

22. Dispositif selon l'une des 10 revendications 1 à 21, comportant deux voies optiques débouchant dans ou dirigés vers la cavité.

23. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 21, comportant trois voies optiques 15 débouchant dans ou dirigés vers la cavité.

24. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 21, comportant quatre voies optiques débouchant dans ou dirigés vers la cavité.