FR2981803A1 - Structure optique integree comportant un isolateur optique - Google Patents

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Abstract

Une structure optique intégrée comporte au moins un isolateur optique (1), comprenant une couche magnéto-optique (16), associé à au moins un amplificateur optique de type SOA comprenant un guide d'onde (6) comportant une couche de semiconducteur (7) dopé n, une couche de semiconducteurs (9) dopé p, et une zone active (8) disposée entre la couche de semiconducteur (7) dopé n et la couche de semiconducteurs (9) dopé p. L'isolateur optique (1) est disposé entre un socle (2) de type SOI et le guide d'onde (6) de l'amplificateur optique SOA (10). De préférence la couche magnéto-optique (16) de l'isolateur optique (1) est disposée entre une couche isolante inférieure (15) et une couche isolante supérieure (14). La couche magnéto-optique (16) de l'isolateur optique (1) peut être une couche de matériau métallique ferromagnétique, tel qu'un alliage métallique Fe-Co, ou une couche d'oxyde magnétique. Un dispositif optique comporte au moins une telle structure optique intégrée.

Description

Structure optique intégrée comportant un isolateur optique La présente invention se rapporte à un isolateur optique destiné à être intégré dans des dispositifs optiques, tels que les composants optoélectroniques, et en particulier les circuits intégrés photoniques PIC (pour "Photonic Integrated Circuit" en anglais). Ces dispositifs optiques sont utilisés principalement dans le domaine des télécommunications numérique à hauts débits. L'invention s'étend en outre au procédé de fabrication d'un tel isolateur optique.
Un isolateur optique est un dispositif passif non réciproque qui a une forte atténuation dans un sens et une faible atténuation dans le sens opposé ; il permet de transmettre la lumière dans une seule direction, mais empêche la lumière de se propager dans une direction opposée. Pour cette raison, les isolateurs optiques sont des éléments indispensables pour éliminer les effets négatifs des faisceaux lumineux réfléchis et parasites dans la transmission par fibre optique, notamment en haut débit. A ce jour, les produits commerciaux ne contiennent pas d'isolateur optique intégré dans leurs puces. Les fabricants de composants optoélectroniques, notamment de circuits intégrés photoniques PIC, sont dans l'attente d'une solution. Dans la suite du texte, on entend par "composant intégré", un composant qui est incorporé monolithiquement dans un dispositif, c'est-à-dire un composant porté par un substrat commun aux composants du dispositif. Deux types d'isolateur optique ont été étudiés. Un premier type d'isolateur optique met en oeuvre un effet optique non réciproque permettant d'assurer la fonction d'isolateur optique, dont le plus connu est l'effet Faraday. Soumis à un champ magnétique externe, certains matériaux, dits magnéto-optiques, font tourner la direction de polarisation de la lumière. Un isolateur optique de ce premier type est composé habituellement (i) d'un cristal de grenat magnétique ayant un effet Faraday, (ii) d'un aimant permanent pour appliquer un champ magnétique défini, et (iii) des éléments polarisants qui permettent seulement le passage de la lumière ayant une direction de polarisation donnée (lumière passante), tout en bloquant le passage de la lumière ayant une direction de polarisation orthogonale à celle de la lumière passante. Ce premier type d'isolateur optique est difficilement intégrable dans des dispositifs optiques, car il nécessite plusieurs composants dont la version intégrée n'est pas encore disponible aujourd'hui.
Il existe un second type d'isolateur optique à absorption dont l'indice optique complexe est non réciproque. En présence d'un champ magnétique, l'indice optique de certains matériaux de type ferromagnétiques, tels qu'un alliage métallique fer-cobalt, dépend du sens de propagation de la lumière. Selon son sens de propagation, la lumière sera par conséquent plus ou moins atténuée. Ce second type d'isolateur optique est bien adapté pour être intégré dans des dispositifs optiques comportant notamment une source à laser semiconducteur. Dans ce second type d'isolateur optique, les métaux ferromagnétiques introduisent des pertes de puissance optique élevées, souvent supérieures à 20 dB, y compris dans la direction passante. Des amplificateurs optiques à semiconducteurs SOA (pour "Semiconductor Optical Amplifier" en anglais) doivent donc nécessairement être aussi intégrés afin de compenser ces pertes de puissance optique. Ainsi l'amplification du signal optique fournie par le SOA permet de compenser les pertes de puissance optique du matériau ferromagnétique dans un premier sens de propagation de la lumière passante. Dans le sens opposé de propagation, l'atténuation du matériau ferromagnétique reste prédominante de façon à éviter les retours. Un isolateur optique de ce second type comprend habituellement un amplificateur optique SOA constitué de l'empilement (i) d'une couche en matériau semiconducteur dopé n, (ii) d'une partie active amplificatrice, qui a un indice optique supérieur aux couches qui l'entourent, et (iii) d'une couche en matériau semiconducteur dopé p. Pour l'intégration de l'isolateur optique, les métaux ferromagnétiques peuvent être déposés sur le dessus ou sur les côtés du guide d'onde du SOA. Dans le cas où les métaux ferromagnétiques sont déposés au sommet du guide d'onde du SOA, la hauteur du ruban est très critique car le mode de propagation du signal optique a besoin d'interagir avec les métaux ferromagnétiques. En effet l'épaisseur du guide d'onde détermine la distance séparant les métaux ferromagnétique de la couche active amplificatrice. Dans ce cas, il y aura des pertes de puissance optique considérables dues d'une part aux couches de contact électrique, souvent en matériau semiconducteur de type ternaire InGaAs, et d'autre part à la couche métallique de reprise du courant électrique, qui est placée au-dessus du guide d'onde.
Dans le cas où les métaux ferromagnétiques sont déposés sur les côtés du guide d'onde d'un SOA, c'est le l'opération de dépôt de la couche de métaux ferromagnétiques, généralement réalisée par des étapes de déposition suivies d'étapes de gravure, qui est très critique. L'étape d'enlèvement de matière par gravure se révèle en effet très délicate à réaliser dans ce type d'isolateur optique. La présente invention a pour but de proposer une structure optique intégrée comportant un isolateur optique du second type qui ne présente pas les inconvénients des isolateurs optiques de ce type connus de l'art antérieur L'invention a aussi pour but de proposer une structure optique intégrée comportant un isolateur optique dont les performances sont améliorées, notamment par une réduction des pertes de puissance optique, ce qui contribue à une diminution de la consommation d'énergie de l'amplificateur optique SOA. L'invention a encore pour but de proposer une structure optique intégrée comportant un isolateur optique dont la fabrication est plus aisée et moins coûteuse. L'objet de la présente invention est une structure optique intégrée comportant au moins un isolateur optique, comprenant une couche magnéto-optique, associé à au moins un amplificateur optique de type SOA comprenant un guide d'onde comportant une couche de semiconducteur dopé n, une couche de semiconducteurs dopé p, et une zone active disposée entre la couche de semiconducteur dopé n et la couche de semiconducteurs dopé p. L'isolateur optique est disposé entre un socle de type SOI et le guide d'onde de l'amplificateur optique SOA. La structure optique intégrée d'isolateur optique utilise la technologie hybride d'intégration de matériaux semiconducteurs III-V sur un substrat à base de silicium, dite "III-V sur SOI" (pour "Silicon On Isolator" en anglais). Dans le cas présent, au lieu d'avoir une couche magnéto-optique au sommet ou sur le côté du guide d'onde à semiconducteurs III-V comme dans l'art antérieur, la couche magnéto-optique est maintenant disposée en dessous de la zone active du guide d'onde.
La couche magnéto-optique de l'isolateur optique est disposée entre une couche isolante inférieure et une couche isolante supérieure.
Selon un mode de réalisation, la couche magnéto-optique de l'isolateur optique est une couche de matériau métallique ferromagnétique. Parmi les matériaux ferromagnétiques, on peut citer le fer, le cobalt, le nickel, les alliages à base de Fe (notamment les ferrites) et/ou de Co, et les alliages de HEUSLER de la forme X2YZ, comme par exemple Cu2MnAI, Cu2MnIn, Cu2MnSn, etc... De préférence, la couche magnéto-optique de l'isolateur optique est une couche d'alliage métallique de composition équiatomique Fe50Co50. Selon un autre mode de réalisation, la couche magnéto-optique de l'isolateur optique est une couche d'oxyde magnétique (grenats, pérovskite, etc.).
Selon un premier aspect, la couche isolante supérieure et la couche isolante inférieure sont constituées d'un matériau isolant choisi parmi un nitrure de silicium SiN et un oxyde de silicium SiOx. Selon un deuxième aspect, la couche de semiconducteur dopé n et la couche de semiconducteurs dopé p du guide d'onde sont constituées d'un matériau semiconducteur du groupe III-V, notamment le phosphure d'indium InP ou l'arséniure de gallium GaAs. Selon un troisième aspect, la zone active du guide d'onde comporte une structure à multiple puits quantiques. L'invention a aussi pour objet un dispositif optique comportant au moins une structure optique intégrée telle que décrite précédemment, comprenant au moins un isolateur optique et au moins un amplificateur optique de type SOA. L'invention a encore pour objet un procédé de réalisation de la structure optique intégrée précédemment décrite. Le procédé comprend les étapes suivantes : - on dépose une première couche d'un matériau isolant sur un socle SOI, - on dépose une couche magneto-optique sur la première couche de matériau isolant, - on dépose une deuxième couche d'un matériau isolant sur la couche magneto-optique, - on colle une vignette semiconductrice sur la deuxième couche de matériau isolant, - on traite la vignette semiconductrice afin de réaliser un guide d'onde optique. De préférence la couche magnéto-optique est déposée par un procédé de pulvérisation cathodique. Avantageusement la couche magnéto-optique est gravée pour lui conférer une structure permettant d'augmenter l'effet magnéto-optique.
Selon une variante, le procédé comprend au moins une opération destinée à rendre plane la surface d'une couche de matériau isolant par un procédé CMP. La présente invention présente plusieurs avantages, parmi lesquels : - l'injection d'un courant électrique dans la zone active amplificatrice est maintenant séparée de la couche magnéto-optique, ce qui lui permet d'être optimisé indépendamment de l'optimisation de la couche magnéto-optique ; - la technologie de réalisation du dispositif optique est basée sur l'intégration hybride III-V sur SOI, donc la fabrication de l'isolateur est beaucoup plus facile que dans l'art antérieur et l'isolateur optique peut ainsi être utilisé sur les circuits intégrés photoniques PIC de silicium. L'invention est destinée à être utilisée par les fabricants de composants optoélectroniques, notamment de circuits intégrés photoniques PIC. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation, donné bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel - la figure 1 illustre une vue en perspective latérale d'un mode de réalisation d'une structure optique intégrée comprenant un isolateur optique, - les figures 2a et 2b illustrent une vue respectivement de dessus et de côté d'un autre mode de réalisation d'une structure optique intégrée comprenant un isolateur optique, - la figure 3 illustre schématiquement le procédé de réalisation d'une structure optique intégrée comprenant un isolateur optique. Bien entendu ces figures n'ayant pour but que d'illustrer l'invention, les dimensions des différents éléments représentés ne sont donc pas nécessairement à l'échelle. La figure 1 illustre une structure optique intégrée comprenant un isolateur optique réalisée par la technologie hybride III-V sur SOI. La technologie SOI consiste à introduire une couche électriquement isolante d'oxyde de silicium SiOx, tel que SiO2, entre une couche supérieur mince semiconductrice de silicium Si et une couche inférieure épaisse semiconductrice de silicium Si, l'ensemble constituant un socle SOI. L'isolateur optique 1 est intégré sur un socle de type SOI 2 qui comprend une couche de silicium Si cristallin 3, ou tout autre substrat semiconducteur, recouverte d'une couche isolante 4, par exemple en oxyde de silicium SiOx comme la silice SiO2, surmonté d'une seconde couche de silicium Si cristallin 5. Typiquement l'épaisseur des couches de silicium est au plus de 0,5pm et celle de la couche d'oxyde de silicium est de l'ordre de 2pm. L'isolateur optique 1 est associé à un guide d'onde optique 6 constitué de l'empilement d'une couche semiconductrice III-V inférieure 7 dopée n, par exemple à base de phosphure d'indium InP, d'une zone active 8 et d'une co u ch e semiconductrice III-V supérieure 9, dopée p, par exemple également à base de phosphure d'indium InP. Le matériau semiconducteur III-V peut être notamment un phosphure d'indium InP ou un arséniure de gallium GaAs. La zone active 8 comporte par exemple une structure à multiple puits quantiques dite MQW (pour "Multiple Quantum Wells" en anglais). Le SOA 10 comprend le guide d'onde 6 de structure multicouche semiconductrice surmonté d'une couche de contact électrique supérieure 11, par exemple en matériau de type semiconducteur ternaire InGaAs. La couche de contact électrique supérieure 11 est elle-même revêtue d'un film métallique 12 permettant l'injection du courant à travers le contact métallique dans la couche active de la structure semiconductrice amplificatrice SOA. La couche semiconductrice inférieure 7 joue alors le rôle d'une couche de contact électrique inférieure pour l'amplificateur optique SOA 10. Une couche métallique 13 peut être alors apposée sur la couche semiconductrice inférieure 7 pour permettre la reprise de courant. Les pertes optiques peuvent être ainsi compensées par injection de courant électrique dans une structure d'amplificateur optique à semiconducteur SOA de type multipuits quantiques. L'isolateur optique 1 comprend une couche isolante supérieure 14 et une couche isolante inférieure 15, par exemple de nitrure de silicium SixNy comme Si3N4, ou d'oxyde de silicium SiOx. De préférence la couche isolante est en SiO2. Une couche magnéto-optique 16 de métaux ferromagnétique est prise en sandwich entre la couche isolante supérieure 14 et la couche isolante inférieure 15. La couche magnéto-optique 16 comporte par exemple des métaux ferromagnétiques tels qu'un alliage métallique fer-cobalt [Fe:Co], le pourcentage atomique de fer étant compris entre 10% et 50% et le pourcentage atomique de cobalt étant compris entre 50% et 90%, et de préférence l'alliage métallique est une composition équiatomique Fe50Co50. La couche magnéto-optique 16 crée une atténuation de l'onde lumineuse 17 se propageant dans le guide d'onde optique 6. La couche magnéto-optique 16 métallique ferromagnétique est aimantée perpendiculairement à la direction de propagation du mode du signal optique. La couche magnéto-optique 16 est réalisée ici par un procédé comprenant des étapes de déposition suivies d'étapes de gravure, de manière à laisser la couche magnéto-optique 16 d'alliage métallique ferromagnétique [Fe:Co] occuper une surface déterminée. L'amplificateur optique SOA 10 comprenant le guide d'onde 6 à semiconducteurs III-V permet d'obtenir une amplification optique, tandis que les métaux ferromagnétiques 16 introduisent un indice de réfraction ou des pertes non réciproques pour assurer la fonction d'isolation optique. Dans ce mode de réalisation, la largeur du guide d'onde peut varier de 0,5 pm à 2 pm par exemple. La couche magnéto-optique 16, par exemple un alliage métallique ferromagnétique [Fe:Co] a de préférence une épaisseur comprise entre 30 nm et 150 nm, et les couches isolantes supérieure 14 et inférieure 15, par exemple de silice SiO2, placées au-dessus et au contact de la couche magnéto-optique 16, ont une épaisseur d'environ 30 nm. Le guide d'onde optique 6 à base de semiconducteurs de type III-V a ici une structure typique en couches permettant un couplage entre les semiconducteurs III-V et l'isolateur optique 1 intégré sur un socle 2 réalisé selon la technique SOI. Toutefois, afin d'avoir un couplage suffisant entre le mode TM (pour "Transverse Magnétique", mode pour lequel il y a non-réciprocité des pertes et de l'indice de réfraction des métaux ferromagnétiques) et la couche magnéto-optique 16 métallique (avec plus de 0,5% du facteur de confinement de mode dans la couche magnéto-optique 16), il est nécessaire de réaliser un guide d'onde 6 de type III-V très étroit (largeur inférieure à 2 pm) ou de modifier la structure verticale en couches du matériau III-V. Dans le cas où la structure verticale en couches du matériau III-V n'est pas modifiée, on a une structure de guide d'onde comme illustré sur les figures 2a et 2b. Une telle structure comporte deux régions extrêmes 20A et 20B d'amplificateur, dans lesquelles le guide d'ondes de type III-V a une largeur typiquement de l'ordre de 2 pm. La structure comporte aussi une région centrale 21 d'isolateur dont la largeur est d'environ 0,5 pm. La structure comporte enfin deux régions intermédiaires 22A et 22B dans lesquelles deux cônes permettent la transition entre les régions d'isolateur et d'amplificateur. Dans les régions extrêmes 20A et 20B, le mode optique se propage dans l'amplificateur optique SOA sans interaction avec l'isolateur optique. Dans la région centrale 31, le mode optique, dont le profil a été modifié, se propage en partie dans l'isolateur optique.
La structure optique intégrée d'isolateur optique peut être insérée dans un circuit intégré photonique PIC, par exemple pour permettre l'isolement entre deux dispositifs optiques. L'invention peut aussi être utilisée pour réaliser une structure optique intégrée d'isolateur optique utilisant une couche magnéto-optique en oxyde magnétique, tel qu'un grenat magnéto-optique (YIG, BIG, Ce:YIG, etc...), plutôt que des métaux ferromagnétiques. Dans ce cas, la couche de grenat est déposée ou collée sur une couche isolante inférieure recouvrant un socle SOI. Le procédé de fabrication de la structure optique intégrée est schématiquement représenté sur la figure 3. Quel que soit la nature de la couche magnéto-optique, la réalisation de la structure otique intégrée se déroule de manière analogue. On commence par réaliser le socle du type SOI 30. Puis, lors de la première étape de dépôt 40, on dépose sur le socle SOI 30 une couche épaisse d'un matériau isolant comme l'oxyde de silicium SiO2 de manière à en recouvrir la surface. Un procédé de type CMP (pour "Chemical and Mechanical Polishing" en anglais) est ensuite appliqué sur l'ensemble pour obtenir une surface plane. On a ainsi réalisé le socle SOI 30 surmonté de la couche isolante inférieure 31 d'une épaisseur comprise entre 30 nm et 150 nm. La couche magnéto-optique 32 est alors déposée sur la couche isolante inférieure 31, par exemple par un procédé de pulvérisation cathodique, lors d'une deuxième étape de dépôt 41. La couche magnéto-optique 32 est gravée pour lui conférer une structure permettant d'augmenter l'effet magnéto-optique. Un exemple d'une telle structure est un réseau Bragg, dans lequel la couche magnéto-optique est gravée périodiquement, ce qui a pour effet d'augmenter l'effet magnéto-optique dans une plage de longueur d'onde.
Une troisième étape de dépôt 42 permet d'effectuer le dépôt d'une deuxième couche d'un matériau isolant, par exemple d'oxyde de silicium SiO2 par-dessus la couche magnéto-optique 32 gravée afin d'obtenir la couche isolante supérieure 33. La surface du nouvel ensemble est à son tour rendue plane par un procédé de type CMP.
Enfin lors de la quatrième étape 43, une vignette semiconductrice III-V 34 est collée sur la couche isolante supérieure 33 déposée au-dessus de la couche magnéto-optique 32, par exemple de métal ferromagnétique ou de grenat. La vignette semiconductrice III-V 34 est traitée afin de réaliser le guide d'onde actif de type III-V de l'amplificateur optique SOA dont la présence permet de compenser les pertes de puissance optique dans ce type d'isolateur otique.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Structure optique intégrée comportant - au moins un isolateur optique, comprenant une couche magnéto-optique, associé à - au moins un amplificateur optique de type SOA comprenant un guide d'onde comportant une couche de semiconducteur dopé n, une couche de semiconducteurs dopé p, et une zone active disposée entre la couche de semiconducteur dopé n et la couche de semiconducteurs dopé p, caractérisée en ce que l'isolateur optique est disposé entre un socle de type SOI et le guide d'onde de l'amplificateur optique SOA.
  2. 2. Structure optique intégrée selon la revendication 1, dans laquelle la couche magnéto-optique de l'isolateur optique est disposée entre une couche isolante inférieure et une couche isolante supérieure.
  3. 3. Structure optique intégrée selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle la couche magnéto-optique de l'isolateur optique est une couche de matériau métallique ferromagnétique.
  4. 4. Structure optique intégrée selon la revendication 3, dans laquelle la couche magnéto-optique de l'isolateur optique est une couche d'un alliage métallique Fe-Co.
  5. 5. Structure optique intégrée selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle la couche magnéto-optique de l'isolateur optique est une couche d'oxyde magnétique.
  6. 6. Structure optique intégrée selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la couche isolante supérieure et la couche isolante inférieure sont constituées d'un matériau isolant choisi parmi un nitrure de silicium Si,Ny et un oxyde de silicium SiOx.
  7. 7 Structure optique intégrée selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la couche de semiconducteur dopé n et la couche de semiconducteurs dopé p du guide d'onde sont constituées d'un matériau semiconducteur du groupe III-V.8. Structure optique intégrée selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la zone active du guide d'onde comporte une structure à multiple puits quantiques. 9. Dispositif optique comportant au moins une structure optique intégrée selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins un isolateur optique et au moins un amplificateur optique de type SOA. 10. Procédé de réalisation d'une structure optique intégrée selon les revendications 1 à 8, comprenant I - on dépose une première couche d'un matériau isolant sur un socle SOI, - on dépose une couche magneto-optique sur la première couche de matériau isolant, - on dépose une deuxième couche d'un matériau isolant sur la couche magneto-optique, - on colle une vignette semiconductrice sur la deuxième couche de matériau isolant, - on traite la vignette semiconductrice afin de réaliser un guide d'onde optique. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel la couche magnéto-optique est déposée par un procédé de pulvérisation cathodique. 12. Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, dans lequel la couche magnéto-optique est gravée pour lui conférer une structure permettant d'augmenter l'effet magnéto-optique. 13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, comprenant au moins une opération destinée à rendre plane la surface d'une couche de matériau isolant par un procédé CMP.
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