FR3054894A1 - Dispositif integre photonique a compacite amelioree - Google Patents

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Patrick LeMaitre
Bertrand Borot
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Abstract

Un module de couplage (1) comporte des coupleurs optiques (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) couplés chacun à un guide d'ondes (41, 51, 52, 91, 81, 92), un dispositif d'entrée-sortie comportant une fibre optique multi-cœurs dont chaque cœur (10) est couplé à un coupleur optique, chaque guide d'ondes (41, 51, 52, 91, 81, 92) comportant une partie externe (410, 510, 520, 810, 910, 920) s'étendant depuis le module et une partie interne (411, 511, 521, 811, 911, 921) s'étendant dans le module et raccordant ladite partie externe au coupleur associé, la partie externe de l'un au moins des guides d'ondes s'étendant selon la direction préférentielle (D1) et la partie externe d'au moins un autre guide d'ondes s'étendant selon une direction (D2) opposée à ladite direction préférentielle (D1), sa partie interne possédant une portion courbée (512, 522, 912, 922) configurée pour réaliser un virage du type demi-tour.

Description

054 894
57524 © N° de publication :
(à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) © N° d’enregistrement national ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE
COURBEVOIE © Int Cl8 : G 02 B 6/43 (2017.01), G 02 B 6/24, G 02 F 1/065, B 82 Y 10/00
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 03.08.16. © Demandeur(s) : STMICROELECTRONICS (CROLLES
(© Priorité : 2) SAS Société par actions simplifiée — FR.
@ Inventeur(s) : CARPENTIER JEAN-FRANCOIS,
LEMAITRE PATRICK et BOROT BERTRAND.
(43) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 09.02.18 Bulletin 18/06.
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recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
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apparentés : SAS Société par actions simplifiée.
©) Demande(s) d’extension : © Mandataire(s) : CASALONGA & ASSOCIES.
DISPOSITIF INTEGRE PHOTONIQUE A COMPACITE AMELIOREE.
FR 3 054 894 - A1 (g/2 Un module de couplage (1) comporte des coupleurs optiques (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) couplés chacun à un guide d'ondes (41,51,52, 91,81,92), un dispositif d'entrée-sortie comportant une fibre optique multi-coeurs dont chaque coeur (10) est couplé à un coupleur optique, chaque guide d'ondes (41, 51, 52, 91, 81, 92) comportant une partie externe (410, 510, 520, 810, 910, 920) s'étendant depuis le module et une partie interne (411,511,521,811,911,921 ) s'étendant dans le module et raccordant ladite partie externe au coupleur associé, la partie externe de l'un au moins des guides d'ondes s'étendant selon la direction préférentielle (D1) et la partie externe d'au moins un autre guide d'ondes s'étendant selon une direction (D2) opposée à ladite direction préférentielle (D1 ), sa partie interne possédant une portion courbée (512, 522, 912, 922) configurée pour réaliser un virage du type demi-tour.
Figure FR3054894A1_D0001
Figure FR3054894A1_D0002
i
D ispositif intégré photonique à compacité améliorée
Des modes de réalisation de l’invention concernent les circuits intégrés photoniques, et en particulier les circuits intégrés photoniques comprenant des moyens de couplage permettant par exemple des échanges de signaux optiques avec des dispositifs d’entrée/sortie tels que par exemple mais non limitativement des fibres optiques.
Classiquement, pour coupler une fibre optique à un circuit intégré photonique, on utilise un réseau de fibres optiques (« fiber array » selon la dénomination anglo-saxonne bien connue de l’homme du métier) comportant une pluralité de fibres mono-cœur alignées selon un axe. Ce réseau de fibres optiques est classiquement solidarisé sur la face supérieure du circuit photonique de manière à ce que chaque fibre du dispositif soit en vis-à-vis d’un coupleur optique à réseau réalisé dans le circuit photonique. Le dispositif est incliné de quelques degrés par rapport à la normale à la surface supérieure du circuit photonique afin d’améliorer le couplage. Les coupleurs optiques à réseau comportent au moins un réseau périodique diffractant formé par une alternance de deux épaisseurs de film semiconducteur, par gravure partielle de ce dernier.
Ainsi, les rayons lumineux issus de la fibre optiques arrivent sur le dispositif photonique avec une direction préférentielle, ce qui implique que les guides d’ondes couplés aux coupleurs optiques s’étendent selon cette direction.
Les coupleurs optiques sont donc classiquement réalisés sur les bords du circuit, les guides d’ondes s’étendant vers l’intérieur du circuit.
Pour augmenter le débit de données transmissibles dans une fibre optique, il est possible d’utiliser des fibres optiques multi-cœurs. Cependant, le couplage d’une telle fibre à un circuit intégré photonique au moyen de coupleurs à réseau est délicat, car les coupleurs doivent être disposés chacun en regard d’un des cœurs de la fibre, donc très proche les uns des autres. Chaque coupleur comporte en sortie un ou deux guides d’ondes formés dans un film semiconducteur du circuit photonique et dont le routage obéit à des contraintes, notamment en matière de rayon de courbure. En effet, ces guides d’ondes, qu’il s’agisse de guides d’ondes en bande (« strip waveguide » en langue anglaise) ou de guides d’onde à nervure (« rib waveguide ») sont formés à partir des deux épaisseurs de film semiconducteur employées pour former la structure de réseau des coupleurs à réseau, épaisseurs qui sont optimisées pour la performance des coupleurs, mais qui imposent des contraintes en matière de rayon de courbure minimum à respecter.
Sauf si le circuit photonique comporte plusieurs niveaux de film semi-conducteur, ce qui est complexe et coûteux à réaliser, le routage des signaux lumineux se fait dans un seul plan et les guides d’ondes ne peuvent généralement pas se croiser, d’où de très fortes contraintes topologiques. Dans le cas d’un ensemble de coupleurs à réseau destiné à coupler le circuit à une fibre multi-cœurs, la disposition des guides d’ondes en entrée/sortie des coupleurs impose donc des contraintes sur l’agencement des circuits d’émission et de réception des signaux optiques.
Un agencement le plus symétrique possible est en général recherché pour les dispositifs électroniques hyperfréquences couplés aux circuits d’émission/réception optoélectroniques disposés aux extrémités des guides d’ondes couplés aux fibres optiques, ce qui n’est pas toujours possible quand on utilise une fibre multi-cœurs.
Il existe donc un besoin de pouvoir coupler la fibre optique à différents endroits du circuit photonique, indépendamment de la direction préférentielle, afin notamment de gagner en flexibilité et en compacité dans la conception des circuits.
Ainsi, selon un mode de réalisation, il est proposé un circuit intégré photonique particulièrement compact comprenant des coupleurs optiques dont l’emplacement ne dépend pas de la direction préférentielle.
Selon un aspect, il est proposé un dispositif intégré photonique comprenant au moins un module de couplage configuré pour recevoir et/ou transmettre des signaux optiques depuis et/ou vers un dispositif d’entré-sortie disposé de manière à délivrer et/ou recevoir des signaux optiques selon une direction préférentielle, et des guides d’ondes couplés audit au moins un module de couplage.
Selon une caractéristique générale de cet aspect, ledit au moins un module comporte des coupleurs optiques situés sur un même niveau d’un film semi-conducteur et alignés selon plusieurs axes et couplés chacun à un guide d’onde, le dispositif d’entrée-sortie comportant une fibre optique multi-cœurs et chaque cœur de la fibre multi-cœurs est couplé à un coupleur dudit au moins un module, chaque guide d’ondes comportant une partie externe s’étendant depuis le module et une partie interne s’étendant dans le module et raccordant ladite partie externe au coupleur associé, la partie externe de l’un au moins des guides d’ondes s’étendant selon la direction préférentielle et la partie externe d’au moins un autre guide d’onde s’étendant selon une direction opposée à ladite direction préférentielle, sa partie interne possédant une portion courbée configurée pour réaliser un virage de type demi-tour.
Par virage de type demi-tour on entend un virage à cent-quatrevingt degrés à une tolérance près, qui dépend des contraintes de réalisation du dispositif.
Ainsi, avec la combinaison d’une fibre optique multi-cœurs, d’un agencement de coupleurs sur un même niveau et selon plusieurs axes, et de guides d’ondes dont certains comprennent des parties courbées en virage, il est possible d’obtenir un module de couplage compact permettant de rediriger la lumière selon plusieurs directions, et qui peut donc être avantageusement placé à différents emplacements du circuit photonique.
Le dispositif peut en outre comprendre une partie intermédiaire non rectiligne entre la portion courbée et la partie externe dudit au moins un autre guide d’onde.
Cette partie intermédiaire pourrait être rectiligne, mais elle ne l’est généralement pas en pratique en raison des contraintes géométriques du dispositif.
Selon un mode de réalisation, la portion courbée est en forme de U.
Selon un mode de réalisation, les guides d’ondes comprennent une première partie parallélépipédique située sous une deuxième partie parallélépipédique d’une largeur inférieure ou égale à celle de la première partie parallélépipédique, la portion en U de la partie interne dudit au moins un autre guide d’ondes a un rayon de courbure inférieur ou égal à cinq micromètres, et la première partie parallélépipédique de la partie interne dudit au moins un autre guide d’ondes a une hauteur différente de la hauteur de la première partie parallélépipédique de la partie externe dudit au moins un autre guide d’ondes.
L’utilisation de ce type de guide d’ondes permet de minimiser les pertes optiques et ce malgré le très faible rayon de courbure.
Les épaisseurs des premières parties parallélépipédiques et des deuxièmes parties parallélépipédiques des parties internes des guides d’ondes correspondent aux épaisseurs des couches semi-conductrices utilisées pour la réalisation des coupleurs.
La partie externe de l’un au moins des guides d’ondes peut s’étendre selon une direction différente de la direction préférentielle et de la direction opposée à la direction préférentielle.
Il est aussi possible de transmettre et/ou recevoir la lumière selon plusieurs directions différentes indépendamment de l’emplacement du module dans le dispositif intégré photonique.
Selon un mode de réalisation, les coupleurs optiques couplés à un guide d’ondes dont la partie externe s’étend selon la direction préférentielle sont alignés selon un premier axe, et les coupleurs optiques couplés à un guide d’ondes dont la partie externe s’étend selon la direction opposée à la direction préférentielle sont alignés selon un deuxième axe.
Ceci permet notamment d’éviter un croisement des guides d’ondes en utilisant un seul niveau de guides d’ondes.
Les guides d’ondes peuvent être couplés à des modulateurs optiques et le module est situé avantageusement au moins entre deux modulateurs optiques.
Le dispositif peut également comprendre une pluralité de modules couplés chacun à un dispositif d’entrée/sortie distinct.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
- les figures 1 à 4 illustrent des modes de réalisation de l’invention.
La figure 1 illustre un module de couplage 1 selon un mode de réalisation de l’invention. Ce module peut classiquement être réalisé au sein d’un circuit intégré photonique CI, réalisé par exemple dans et sur un substrat de type silicium sur isolant, représenté ici partiellement à des fins de simplification.
Le module 1 comporte une pluralité de coupleurs optiques. Par exemple ici, le module 1 comporte quatre coupleurs de type à polarisation unique 2, 4, 6, 8 c'est-à-dire ici des coupleurs configurés pour recevoir un signal optique et transmettre l’une de ses composantes (« transverse magnétique » ou « transverse électrique » selon les dénominations bien connues de l’homme du métier) à un seul guide d’ondes selon un premier mode de polarisation, par exemple selon le mode transverse électrique.
Le module comporte également quatre coupleurs de type à séparation de polarisation 3, 5, 7, 9, c'est-à-dire des coupleurs configurés pour recevoir un signal optique et transmettre sa composante transverse électrique à un premier guide d’ondes, et sa composante transverse magnétique à un deuxième guide d’ondes en la convertissant en un signal transverse électrique.
Les coupleurs optiques 2 à 9 sont disposés sur un même niveau de façon à être chacun en vis-à-vis d’un cœur 10 d’une fibre optique multi-cœurs 11 extérieure au circuit intégré et dont la figure 2 illustre une vue en coupe. La fibre optique 5 peut classiquement être solidarisée à la face supérieure du circuit CI par collage, par exemple à l’aide d’une résine.
Ainsi, les coupleurs optiques 2 à 9 sont aptes à recevoir des signaux depuis certains cœurs de la fibre optique multi-cœurs 11.
Il convient de noter ici que la disposition des coupleurs et des cœurs de fibre n’est pas limitée à l’exemple présenté ici, toute configuration étant envisageable.
La fibre optique 11 est classiquement placée au dessus du module de manière inclinée, afin de former un angle de quelques degrés avec la normale à la surface du circuit intégré comportant le module 1, définissant ainsi une direction préférentielle DI selon laquelle la fibre 11 transmet des signaux optiques. Les coupleurs optiques sont donc réalisés de façon à transmettre les signaux selon cette direction préférentielle Dl.
Les coupleurs optiques sont chacun reliés à un ou deux guides d’ondes permettant de diriger les signaux optiques issus de la fibre optique 5 vers l’extérieur du module.
Quatre coupleurs optiques 2, 3, 6, 7 sont alignés entre eux selon un premier axe Axl et couplés à des guides d’ondes dont une partie externe au module 1 s’étend depuis le module 1 selon la direction préférentielle Dl.
Quatre autre coupleurs optiques 4, 5, 8, 9 sont alignés entre eux selon un deuxième axe Ax2, ici parallèle au premier axe Axl, et couplés à des guides d’ondes dont une partie externe au module 1 s’étend depuis le module 1 selon une direction différente de la direction préférentielle Dl.
En particulier, deux coupleurs optiques 5 et 9 de type à séparation de polarisation, alignés selon le deuxième axe Ax2, sont couplés chacun à deux guides d’ondes 51, 52, 91, 92, comprenant chacun une partie externe au module 510, 520, 910, 920 et une partie interne au module 511, 521, 91 1, 921.
Les parties externes au module 510, 520, 910, 920 s’étendent depuis le module 1 selon une direction D2 opposée à la direction préférentielle Dl. Pour cela, les parties internes au module 511, 521, 911, 921 des guides d’ondes 51, 52, 91, 92 comportent chacune une portion courbée en forme de U, configurée pour réaliser un virage de type demi-tour, et une portion intermédiaire, non rectiligne 513, 523, 913, 923 faisant la liaison entre les portions en U 512, 522, 912, 922 et les coupleurs et entre les portions en U et les parties externes 510, 520, 910, 920 du guide d’ondes.
La portion intermédiaire pourrait être rectiligne, mais elle ne l’est pas ici en raison des contraintes géométriques du dispositif.
Les portions en U 512, 522, 912, 922 ont ici un rayon de courbure de l’ordre de 5 micromètres de manière à diriger le guide d’onde hors du module dans la direction D2 opposée à la direction préférentielle Dl sans croiser les autres guides d’ondes qui s’étendent depuis les autres coupleurs optiques.
Les deux autres coupleurs optiques 4 et 8 alignés selon l’axe Ax2 sont couplés à des guides d’ondes 41 et 81 dont les parties 410 et 810 externes au module 1 s’étendent depuis le module selon des directions différentes de la direction préférentielle Dl et de sa direction opposée D2.
La figure 3 illustre une vue en coupe de la portion en U 512 du guide d’onde 51 selon l’axe III-ΠΙ de la figure 1. Les guides d’ondes étant réalisés de façon analogue, cette partie en U 512 est ici identique aux parties en U des autres guides d’ondes 52, 91, 92.
Le guide d’ondes est classiquement réalisé dans un film de silicium 12 situé au dessus d’une couche isolante enterrée 13 (« BOX » selon l’acronyme anglo-saxon bien connu de l’homme du métier) elle-même située au dessus d’un substrat porteur 14 en silicium
Les inventeurs ont observé qu’afin de limiter les pertes dans la portion en U 512 du guide d’onde 51 mais aussi dans la partie intermédiaire 513, non rectiligne, il est avantageux que la partie interne 511 ait une structure de guide d’ondes en bande (« strip waveguide » selon l’appellation anglo-saxonne bien connue de l’homme du métier) ou comme c’est le cas ici de guide d’ondes à nervure (« rib waveguide » en langue anglaise) ayant une structure proche de celle d’un guide d’ondes en bande, c'est-à-dire ayant une dalle (« slab » en langue anglaise) de faible hauteur.
Ainsi, dans la portion en U 512 du guide d’ondes 51 la première partie 120, ou dalle, est de faible hauteur, par exemple ici cinquante nanomètres, et surmontée de la deuxième partie 121 plus étroite mais d’une hauteur plus importante, par exemple ici 300 nanomètres.
La structure des parties intermédiaires 513 de la partie interne 511 du guide d’ondes 51 est ici la même que la structure de la partie en U.
La hauteur de la première partie 120 et la hauteur de la deuxième partie 121 sont égales aux épaisseurs des couches semiconductrices utilisées pour la réalisation des coupleurs. Cela est particulièrement avantageux pour le procédé de réalisation du dispositif.
Dans la partie externe 510 du guide d’ondes 51, rectiligne et également de type à nervure la première partie 120 a une hauteur plus classique, par exemple ici une hauteur de cent-soixante-trois nanomètres, et la deuxième partie 121 a la même hauteur que dans la portion interne 511, c’est à dire trois cents nanomètres.
La partie interne 511 et la partie externe 510 de chaque guide d’ondes sont classiquement couplées par l’intermédiaire d’une région de transition (non représentée) permettant de joindre les deux parties 510 et 511 d’épaisseurs différentes en limitant les pertes optiques.
Ainsi, bien qu’il soit possible d’avoir une partie interne 511 en forme de bande, c’est à dire une partie interne 511 dont la première partie 120 et la deuxième partie 121 ont la même largeur, le choix d’un guide d’ondes à nervure tel que celui décrit précédemment permet une transition moins abrupte entre la partie interne courbée 511 et la partie externe rectiligne 510 du guide d’onde 51, ce qui contribue à diminuer les pertes dues au couplage entre les deux parties du guide d’ondes.
Le module 1 permet donc de rediriger les signaux issus de la fibre optique 11 dans toutes les directions autour du module, et ce indépendamment de la direction préférentielle Dl.
La figure 4 illustre un mode de réalisation de l’invention, dans lequel deux modules de couplage 15 et 16 sont avantageusement réalisés au sein d’un circuit intégré photonique CI.
Le circuit intégré photonique CI comporte en outre des microboîtiers ME comprenant des lasers couplés à plusieurs modulateurs Ml à M8 configurés pour moduler un signal optique et le transmettre à deux modules 15 et 16 tels que celui décrit précédemment et illustré à la figure 1.
Le circuit intégré CI comporte en outre des photodiodes PI à P8 couplées aux modules 15 et 16 et capables de convertir les signaux lumineux arrivant depuis le module en signaux électriques.
Ainsi, l’utilisation de modules de couplage tels que ceux décrits précédemment permet avantageusement de s’affranchir de positionner les modules de couplage sur les bords du circuit intégré, et donc de gagner en souplesse dans la conception des circuits.
Il convient de noter que la disposition présentée ici à titre d’exemple n’est nullement limitative, et que toute autre configuration incorporant des modules de couplage analogue à celui décrit précédemment et illustré sur les figures 1 à 3 est envisageable.
De même, bien qu’il ait été présenté ici des modules de couplage comportant huit coupleurs optiques alignés selon deux axes Axl et Ax2, il est possible d’envisager des modules de couplage comportant un nombre différent de coupleurs optiques disposés selon deux ou plusieurs axes.
ίο

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif intégré photonique comprenant au moins un module de couplage (1) configuré pour recevoir et/ou transmettre des signaux optiques depuis et/ou vers un dispositif d’entrée-sortie (11) disposé de manière à délivrer et/ou recevoir des signaux optiques selon une direction préférentielle (Dl), des guides d’ondes (41, 51, 52, 91, 81, 92) couplés audit au moins un module de couplage (1), caractérisé en ce que ledit au moins un module (1) comporte des coupleurs optiques (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) situés sur un même niveau d’un film semi-conducteur, alignés selon plusieurs axes (Axl, Ax2) et couplés chacun à un des guides d’ondes (41, 51, 52, 91, 81, 92), le dispositif d’entrée-sortie comportant une fibre optique multi-cœurs dont chaque cœur (10) est couplé à un coupleur optique (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) dudit au moins un module (1), chaque guide d’ondes (41, 51, 52, 91, 81, 92) comportant une partie externe (410, 510, 520, 810, 910, 920) s’étendant depuis le module (1) et une partie interne (411, 511, 521, 811, 911, 921) s’étendant dans le module (1) et raccordant ladite partie externe au coupleur associé, la partie externe de l’un au moins des guides d’ondes (41, 51, 52, 91, 81, 92) s’étendant selon la direction préférentielle (Dl) et la partie externe d’au moins un autre guide d’ondes s’étendant selon une direction (D2) opposée à ladite direction préférentielle (Dl), sa partie interne possédant une portion courbée (512, 522, 912, 922) configurée pour réaliser un virage du type demitour.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre une portion intermédiaire (513, 523, 913, 923) non rectiligne entre la portion courbée (512, 522, 912, 922) et la partie externe (510, 520, 910, 920) dudit au moins un autre guide d’ondes (51, 52, 91, 92).
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la portion courbée (512, 522, 912, 922) est en forme de U.
  4. 4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les guides d’ondes (41, 51, 52, 91, 81, 92) comprennent une première partie parallélépipédique (120) située sous une deuxième partie parallélépipédique (121) d’une largeur inférieure ou égale à celle de la première partie parallélépipédique (120), la portion courbée (512, 522, 912, 922) de la partie interne dudit au moins un autre guide d’ondes a un rayon de courbure inférieur ou égal à cinq micromètres et la première partie parallélépipédique (120) de la partie interne (511, 521, 911, 921) dudit au moins un autre guide d’ondes (51, 52, 91, 92) a une hauteur différente de la hauteur de la première partie parallélépipédique de la partie externe (510, 520, 910, 920) dudit au mois un autre guide d’ondes (51, 52, 91, 92) .
  5. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les épaisseurs des premières parties parallélépipédiques (120) et des deuxièmes parties parallélépipédiques (121) des parties internes (411, 511, 521, 811, 911, 921) des guides d’ondes (41, 51, 52, 91, 81, 92) sont égales aux épaisseurs des couches semi-conductrices utilisées pour la réalisation des coupleurs (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9).
  6. 6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la partie externe de l’un au moins des guides d’ondes s’étend selon une direction (D2) différente de la direction préférentielle (Dl) et de la direction (D2) opposée à la direction préférentielle.
  7. 7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les coupleurs optiques (2, 3, 6, 7) couplés à un guide d’ondes dont la partie externe s’étend selon la direction préférentielle (Dl) sont alignés selon un premier axe (Axl), et les coupleurs optiques (4, 5, 8, 9) couplés à un guide d’ondes dont la partie externe (510, 520, 910, 920) s’étend selon la direction opposée à la direction préférentielle sont alignés selon un deuxième axe (Ax2).
  8. 8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les guides d’ondes (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) sont couplés à des modulateurs optiques (Ml, M2, M3, M4) et ledit au moins un module (15, 16) est situé au moins entre deux modulateurs optiques (Ml, M2, M3, M4).
  9. 9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité de modules (15, 16) couplés chacun à un dispositif d’entrée/sortie distinct.
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