FR3138707A1

FR3138707A1 - Modulateur de phase optique, procédé et systèmes associés

Info

Publication number: FR3138707A1
Application number: FR2208100A
Authority: FR
Inventors: Sylvain Guerber; Jonathan FAUGIER-TOVAR; Daivid Fowler; Leopold Virot
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2022-08-04
Filing date: 2022-08-04
Publication date: 2024-02-09
Also published as: WO2024028443A1

Abstract

MODULATEUR DE PHASE OPTIQUE, PROCÉDÉ ET SYSTÈMES ASSOCIÉS Un aspect de l’invention concerne un modulateur (1) de phase optique comprenant : une première couche (21) en matériau diélectrique dans laquelle s’étend un guide d’onde (11) et une chaufferette (12) ;au moins une tranchée supérieure (41) disposée au-dessus de la chaufferette et des tranchées latérales (42, 43), disposées de part et d’autre du guide d’onde et de la chaufferette ; etune deuxième couche (22) en matériau diélectrique s’étendant sur la première couche en matériau diélectrique et recouvrant chaque première, deuxième et troisième tranchées. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1a

Description

MODULATEUR DE PHASE OPTIQUE, PROCÉDÉ ET SYSTÈMES ASSOCIÉS

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

Le domaine technique de l’invention est celui des modulateurs de phase optique pouvant être utilisés dans un réseau d’antennes phasées et/ou dans un système de télédétection par laser, dit « LIDAR » pour « Light Detection and Ranging » en anglais.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Un modulateur de phase est destiné à être utilisés dans des circuits de type réseau d’antennes phasées ou OPA pour « Optical Phased Arrays » en anglais. Elle est proposée dans le contexte des systèmes de télédétection ou « LiDAR » pour « Light Detection and Ranging » en anglais.

Il existe de nombreux types de modulateurs de phase exploitant différents effets physiques (Pockels, Kerr, dispersion plasma…) ayant pour point commun de modifier l’indice de réfraction du matériau dans lequel ils sont présents si on lui applique un champ électrique (modulation électro-optique). Si l’on fait passer un signal optique dans un matériau dont on modifie l’indice de réfraction, la lumière va se déplacer plus rapidement (ou plus lentement selon le sens de variation de l’indice de réfraction) ce qui se traduit par une modification de la phase de ce signal. Les modulateurs exploitant ces effets proposent de très bonnes performances en termes de consommation et de bande passante, cependant leur intégration est complexe (matériaux spécifiques, dopages…). De plus la modulation de phase est intrinsèquement accompagnée d’une modulation de l’amplitude du signal optique (absorption d’une partie de la puissance optique) ce qui, dans le cadre d’un OPA, n’est pas souhaitable. C’est pourquoi la majorité des OPAs réalisés en photonique sur silicium sont généralement basés sur des modulateurs thermo-optiques qui exploitent la dépendance de l’indice de réfraction d’un matériau à la température (coefficient thermo-optique).

Ainsi, en chauffant (ou en refroidissant) ce matériau, son indice de réfraction va être modifié ce qui, comme pour les modulateurs électro-optiques, se traduit par un changement de la phase pour un signal se propageant dans ce matériau.

Les modulateurs thermo-optiques sont généralement réalisés en plaçant une chaufferette de Ti/TiN (au-dessus du guide d’onde) dans lequel on va faire circuler un courant électrique qui va chauffer cette chaufferette (et donc le guide) par effet Joule. Ce type de modulateur a l’avantage d’être relativement simple à mettre en œuvre, et notamment de proposer une modulation de phase « pure » (pas de modulation d’amplitude) ce qui est particulièrement intéressant dans le cadre d’un OPA. De plus, ils sont relativement compacts tant en largeur qu’en longueur grâce au fort coefficient thermo-optique des matériaux utilisés en photonique (Si, SiN…).

Ces moduleurs sont généralement enrobés dans un matériau diélectrique et sont donc intégrables. Des étapes de fabrications complémentaires peuvent être réalisées sans dégrader les performances du modulateur.

Cependant, ces modulateurs présentent tout de même quelques inconvénients. Mis à part une bande passante limitée à quelques dizaines de kHz, le principal inconvénient des modulateurs thermo-optique est leur efficacité. En effet, la chaleur générée va se diffuser dans toutes les directions ce qui va fortement limiter l’efficacité du modulateur. Elle est généralement mesurée en mW/π ce qui correspond à la puissance électrique injectée dans la chaufferette TiN pour obtenir un déphasage de π du signal optique.

Pour remédier à ce problème, des tranchées d’isolation sont généralement ajoutées de part et d’autre du modulateur. Cela va permettre de confiner la chaleur produite par la chaufferette et ainsi maximiser la variation de température au niveau du guide (et donc la variation de phase) pour une puissance électrique donnée. Pour encore améliorer le confinement de la chaleur, il est possible de suspendre le modulateur thermo-optique en réalisant une gravure du substrat sous les guides d’onde.

Toutefois les tranchées d’isolation restent ouvertes et ne permettent pas d’intégrer le modulateur. Des étapes de fabrications complémentaires pourrait boucher les tranchées et annuler leur effet.

Il existe un besoin de fournir un modulateur de phase optique performant qui puisse être intégrable.

L’invention répond au problème précité en ce qu’elle propose un modulateur de phase optique comprenant :

une première couche en matériau diélectrique s’étendant dans un plan, dans laquelle s’étend, selon une première direction parallèle au plan, au moins un guide d’onde et au moins une chaufferette, ladite au moins une chaufferette étant disposée au-dessus dudit au moins un guide d’onde et couplée thermiquement à une portion dudit au moins un guide d’onde, la première couche en matériau diélectrique comprenant, pour chaque guide d’onde :
- au moins une première tranchée, s’étendant selon un deuxième direction, parallèle au plan et perpendiculaire à la première direction, disposée au-dessus de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde ;
- une deuxième tranchée et une troisième tranchée s’étendant chacune selon la première direction, de part et d’autre du guide d’onde et de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde, ladite au moins une première tranchée disposée au-dessus de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde débouchant dans la deuxième tranchée et dans la troisième tranchée ;
une deuxième couche en matériau diélectrique s’étendant parallèlement au plan et sur la première couche en matériau diélectrique et recouvrant chaque première, deuxième et troisième tranchées.

Par le terme « une couche dans laquelle s’étend un élément », on entend que ledit élément est compris dans la couche et est au moins partiellement enrobé par celle-ci.

Par « chaufferette », on entend une piste conductrice destinée à générer une quantité de chaleur lorsqu’un courant électrique la parcourt.

Les termes « au-dessus » et « sous » sont relatifs à une direction perpendiculaire au plan.

Par « tranchée dans une couche », on entend une cavité creusée depuis la surface de ladite couche et selon une certaine profondeur. Par « tranchée s’étend selon une direction parallèle au plan », on entend que la cavité creusée présente une profondeur constante suivant ladite direction. Par « cavité », on entend qu’elle est libre de tout corps solide. Elle est vide ou comprend un gaz ou de l’air.

Par « tranchées s’étendant de part et d’autre du guide d’onde », on entend que les tranchées s’étendent de chaque côté du guide d’onde et au moins sur toute la hauteur du guide d’onde (mesurée perpendiculairement au plan).

La chaufferette, couplée thermiquement au guide d’onde, permet de moduler son indice optique. La phase d’un faisceau optique passant par le guide d’onde peut donc être modulée. Chaque première, deuxième et troisième tranchées isole thermiquement chaque chaufferette et chaque guide d’onde de l’environnement extérieur. De la sorte, la chaleur générée par la chaufferette qui n’est pas transférée au guide d’onde est réduite. Une part substantielle de la chaleur générée par chaque chaufferette est donc transférée à un guide d’onde ce qui améliore l’efficacité de modulation de l’indice du guide d’onde et en fait donc un modulateur performant.

La deuxième couche en matériau diélectrique ferme les tranchées et évite ainsi qu’elles ne soient remplies avec un matériau (par exemple un liquide, un oxyde ou un métal) lors d’étapes d’intégration. Chaque chaufferette et chaque guide d’onde reste donc isolé thermiquement et donc opérationnel après des étapes d’intégration. Le modulateur est donc également intégrable.

Avantageusement, pour chaque guide d’onde, la deuxième tranchée et la troisième tranchée sont discontinues et comprennent chacune des tronçons séparés les uns des autres par le matériau diélectrique de la première couche, alignés selon la première direction. Une distance séparant deux tronçons consécutifs étant préférentiellement inférieure à 100 µm, voire inférieure ou égale à 5 µm. Préférentiellement, chaque première tranchée disposée au-dessus de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde débouche dans un tronçon de la deuxième tranchée et dans un tronçon de la troisième tranchée.

Avantageusement, le modulateur comprend un substrat semiconducteur sur lequel s’étend la première couche en matériau diélectrique, le substrat semiconducteur comprenant, pour chaque guide d’onde, une quatrième tranchée s’étendant selon la première direction et disposée sous ledit guide d’onde, chaque deuxième tranchée et chaque troisième tranchée de part et d’autre du guide d’onde débouchant dans la quatrième tranchée.

Avantageusement, pour chaque guide d’onde, une distance séparant deux premières tranchées consécutives selon la première direction est inférieure à 5 µm.

Alternativement, pour chaque guide d’onde, la première couche en matériau diélectrique comprend une seule première tranchée dont la largeur, mesurée selon la première direction, est supérieure 50 % de la longueur de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde.

Avantageusement, le modulateur comprend au moins dix guides d’onde et préférentiellement au moins cent guides d’onde.

L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un modulateur de phase optique, comprenant les étapes suivantes :

former une première couche en matériau diélectrique s’étendant dans un plan, dans laquelle s’étend, selon une première direction parallèle au plan, au moins un guide d’onde et au moins une chaufferette, ladite au moins une chaufferette étant disposée au-dessus dudit au moins un guide d’onde et couplée thermiquement à une portion dudit au moins un guide d’onde ;
graver la première couche en matériau diélectrique de manière à former, pour chaque guide d’onde, au moins une première tranchée, s’étendant selon une deuxième direction, parallèle au plan et perpendiculaire à la première direction, disposée au-dessus de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde ;
graver la première couche en matériau diélectrique de manière à former, pour chaque guide d’onde, des deuxième et troisième tranchées s’étendant chacune selon la première direction, de part et d’autre du guide d’onde et de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde, chaque première tranchée disposée au-dessus de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde débouchant dans la deuxième tranchée et dans la troisième tranchée ;
former une deuxième couche en matériau diélectrique s’étendant parallèlement au plan et sur la première couche en matériau diélectrique et recouvrant chaque tranchées.

Avantageusement, l’étape de formation de la deuxième couche en matériau diélectrique comprend, avant l’étape de gravure des deuxième et troisième tranchées, les sous-étapes suivantes :

remplir chaque première tranchée avec un matériau sacrificiel ;
déposer la deuxième couche en matériau diélectrique sur la première couche en matériau diélectrique et recouvrant le matériau sacrificiel dans chaque première tranchée ;

l’étape de gravure des deuxième et troisième tranchées étant réalisée à travers la deuxième couche en matériau diélectrique, l’étape de formation de la deuxième couche en matériau diélectrique comprenant également, après l’étape de gravure des deuxième et troisième tranchées, les sous-étapes suivantes :

retirer le matériau sacrificiel de chaque première tranchée disposée au-dessus de chaque chaufferette ; et
épaissir la deuxième couche en matériau diélectrique de sorte qu’elle recouvre chaque deuxième et troisième tranchées.

Préférentiellement, l’étape d’épaississement de la deuxième couche en matériau diélectrique est réalisée en déposant un oxyde de faible densité.

L’invention concerne aussi un réseau d’antennes phasées comprenant :

une pluralité d’antennes, alignées selon une direction et réparties le long de cette direction selon un pas constant ;
un diviseur de puissance configuré pour diviser la puissance optique d’un faisceau optique cohérent incident, le faisceau optique incident présentant une longueur d’onde supérieure ou égale au pas constant ;

le réseau d’antennes phasées étant remarquable en ce qu’il comprend :

un modulateur de phase optique selon l’invention, ledit modulateur comprenant une pluralité de guides d’onde, chaque guide d’onde du modulateur faisant partie du chemin optique entre le diviseur de puissance et une antenne de la pluralité d’antennes ; ou
une pluralité de modulateurs de phase optique selon l’invention, chaque modulateur comprenant un seul guide d’onde, le guide d’onde de chaque modulateur faisant partie du chemin optique entre le diviseur de puissance et une antenne de la pluralité d’antennes.

L’invention concerne aussi un système de télédétection par laser comprenant un réseau d’antennes phasées selon l’invention.

L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.

, et représentent schématiquement, selon trois coupes, un premier mode de réalisation d’un modulateur de phase optique selon l’invention.

et représentent schématiquement, selon deux coupes, un deuxième mode de réalisation du modulateur de phase optique selon l’invention.

et représentent schématiquement, selon deux coupes, un troisième mode de réalisation du modulateur de phase optique selon l’invention.

et représentent schématiquement, selon deux coupes, un quatrième mode de réalisation du modulateur de phase optique selon l’invention.

, , et représentent schématiquement, selon quatre coupes, un cinquième mode de réalisation du modulateur de phase optique selon l’invention.

représente schématiquement un mode de réalisation d’un procédé de fabrication selon l’invention.

représente schématiquement une variante de réalisation du procédé de fabrication de la .

, , , , et représentent schématiquement, selon deux coupes, des étapes du mode de réalisation du procédé de fabrication de la .

représente schématiquement un exemple de modulateur de phase optique susceptible d’être obtenu par la mise en œuvre du procédé de fabrication de la .

représente schématiquement un premier mode de réalisation d’un réseau d’antennes phasées selon l’invention.

représente schématiquement un deuxième mode de réalisation du réseau d’antennes phasées selon l’invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Les , et représentent schématiquement, selon trois coupes A-A, B-B, C-C, un modulateur 1 de phase optique selon un premier mode de réalisation selon l’invention.

Le modulateur 1 comprend deux couches 21, 22 en matériau diélectrique. La première couche 21 s’étend dans un plan P. Le plan P correspond par exemple à la surface d’un substrat semiconducteur 30 sur lequel s’étend la première couche 21. La deuxième couche 22 s’étend également dans le plan P (c’est-à-dire parallèlement à ce plan P). Elle s’étend sur la première couche 21. Les deux couche 21, 22 sont par exemple en SiO₂. Le substrat 30 est par exemple en Si.

Le modulateur 1 comprend un guide d’onde 11 et une chaufferette 12, s’étendant chacun parallèlement au plan P et plus particulièrement selon une même première direction X. Le guide d’onde 11 présente, dans cet exemple, une longueur suffisamment grande, supérieure à 1000 µm, pour qu’elle puisse être considérée infinie. La chaufferette 12 présente quant à elle une longueur L₁₂, mesurée selon la première direction, comprise entre 100 µm et 500 µm. La chaufferette 12 est disposée au-dessus du guide d’onde 11, c’est-à-dire à la verticale (selon la direction Z) du guide d’onde 11. En particulier, la chaufferette 12 est disposée entre le guide d’onde 11 et la deuxième couche 22 en matériau diélectrique (autrement dit, à l’aplomb du guide d’onde 11, entre le guide d’onde et la surface supérieure de la première couche 21). Par exemple, en considérant la surface supérieure 210 de la première couche comme étant une hauteur de référence, mesurée perpendiculairement au plan P, alors la chaufferette 12 se trouve par exemple à une hauteur Z₁₂(on peut également parler de profondeur) comprise entre 1µm et 9µm sous la surface supérieure 210. Le guide d’onde peut se trouver à une profondeur Z₁₁comprise entre 4 µm et 10 µm.

La chaufferette 12 peut présenter une épaisseur, mesurée selon la direction Z, comprise entre 50 nm et 200 nm. Elle peut présenter une largeur W₁₂, mesurée selon la direction Y, comprise entre 300 nm et 1000 nm.

Le guide d’onde 11 peut présenter une épaisseur comprise entre 100 nm et 1000 nm et une largeur comprise entre 100 nm et 1000 nm.

La chaufferette 12 est configurée pour chauffer une portion du guide d’onde 11 de manière à élever sa température et modifier son indice optique. Le guide d’onde 11 présente alors avantageusement un indice optique dépendant de la température. Le guide d’onde 11 est par exemple un matériau semiconducteur tel que du Si ou un nitrure tel que du SiN. La chaufferette 12 est préférentiellement un conducteur électrique et par exemple en Ti ou TiN. La chaufferette 12 est couplée thermiquement à une portion du guide d’onde 11. Il s’agit par exemple d’une portion le long du guide d’onde située sous la chaufferette 12, présentant donc une longueur égale à la longueur L₁₂de la chaufferette 12. Le couplage thermique entre la chaufferette 12 et le guide d’onde 11 est réalisé au moyen du matériau diélectrique formant la première couche 21. Un matériau diélectrique différent, présentant de meilleures propriétés thermiques pourrait également être utilisé.

La chaufferette 12 est préférentiellement connectée électriquement à des vias 121, 122 permettant de faire circuler un courant électrique dans la chaufferette 12.

Dans ce mode de réalisation, le guide d’onde 11 et la chaufferette 12 s’étendent dans la première couche 21. C’est-à-dire qu’ils sont enrobés dans le matériau diélectrique formant la première couche 21. La première couche 21 est particulière en ce qu’elle comprend une pluralité de tranchées permettant d’isoler le guide d’onde 11 et la chaufferette 12 de l’environnement extérieur, et en particulier du bain thermique extérieur.

Dans le mode de réalisation des , et , la première couche 21 comprend une pluralité de premières tranchées 41, que l’on désignera également par « tranchées supérieures », s’étendant selon une deuxième direction Y, parallèle au plan P et perpendiculaire à la première direction X. Les tranchées supérieures sont disposées à la verticale de la chaufferette 12 et sont réparties selon la première direction X. Les tranchées supérieures 41 sont par exemple le résultat d’une étape de gravure anisotrope dans la première couche 21. Elles présentent par exemple une profondeur Z₄₁constante à +/- 20 % près et des flancs perpendiculaires au plan P à +/- 20° près. Les tranchées supérieures 41 sont disposées entre la chaufferette 12 et la deuxième couche 22. Elles permettent donc d’isoler la chaufferette 12 de la deuxième couche 22.

Chaque tranchée 41 peut présenter une profondeur Z₄₁, mesurée depuis la surface supérieure 210 de la première couche 21, comprise entre 100 nm et 1000 nm. Chaque tranchée 41 peut d’ailleurs présenter une profondeur Z₄₁lui permettant d’atteindre la chaufferette 12 et la mettre partiellement à nu.

Les tranchées supérieures 41 sont préférentiellement réparties selon la première direction X et distante les unes des autres. Elles sont donc séparées par des portions 211 de la première couche 21. Ces portions 211 s’étendant verticalement entre chaque tranchées supérieure 41 et sont orientées selon la deuxième direction Y. Elles forment ainsi des parois, dits aussi « murets », séparant les tranchées supérieures 41 entre elles. Les murets 211 sont également répartis selon la direction X.

La fuite thermique entre la chaufferette 12 et la deuxième couche 22 dépend en partie de largeur W₂₁₁des murets séparant deux tranchées supérieure 41 consécutives. Afin de garantir une fuite thermique réduite, les murets présentent préférentiellement des largeurs W₂₁₁inférieures à 5 µm et préférentiellement supérieures à 100 nm, puisqu’ils définissent une des dimensions d’un contact thermique entre la chaufferette 12 et la deuxième couche 22. Le nombre de tranchées supérieures 41 et la largeur W₄₁(mesurée selon la première direction X) de ces tranchées 41 sont alors avantageusement dimensionnés pour minimiser la largeur W₂₁₁des murets 211 et donc minimiser la fuite thermique entre la chaufferette 12 et la deuxième couche 22. On choisira par exemple, un grand nombre tranchées supérieures 41 (pouvant présenter une faible largeur W₄₁) ou un faible nombre de tranchées supérieures 41 mais présentant une largeur W₄₁importante.

Dans le cas où la première couche 21 comprend plusieurs tranchées supérieures 41, par exemple une dizaine, alors la largeur W₄₁, mesurée selon la première direction X, peut être comprise entre 10 µm et 200 µm. Dans ce mode de réalisation, le nombre de tranchées supérieures 41 est limitée par les vias 121, 122. Un agencement différent des vias pourrait être envisager pour augmenter le nombre de tranchées supérieures de sorte qu’elles soient réparties sur toute la longueur de la chaufferette 12.

Les et représentent schématiquement, selon deux coupes, un deuxième mode de réalisation du modulateur 1. À la différence des , , , la première couche 21 ne comprend qu’une seule tranchée supérieure 41 mais suffisamment large pour isoler efficacement la chaufferette 12 de la deuxième couche 22. Il n’y a donc aucun muret 211 réalisant un contact thermique entre la chaufferette 12 et la deuxième couche 22. La tranchée supérieure 41 présente par exemple une largeur W₄₁égale à 85 % de la longueur L12 (mesurée selon X) de la chaufferette 12. La tranchée supérieure 41 présente par exemple une largeur W₄₁égale à comprise entre 100 µm et 500 µm. Dans ce mode de réalisation, la largeur W₄₁de la tranchée supérieure 41 est limitée par les vias 121, 122. Un agencement différent des vias pourrait permettre d’étendre davantage la largeur de la tranchée supérieure 41 jusqu’à ce que la tranchée supérieure 41 s’étendent sur toute la longueur de la chaufferette 12.

Les murets 211 peuvent s’avérer intéressants puisqu’ils peuvent supporter la deuxième couche 22, reportant par exemple les contraintes mécanique appliqué sur la deuxième couche 22 sur la structure sous-jacente (comprenant entres autres la chaufferette 12 et le guide d’onde 11). Ils permettent donc d’éviter que la deuxième couche 22 ne s’effondre et vienne combler les tranchées 41, 42, 43.

De manière commune aux , , et , , la première couche 21 comprend également des deuxième et troisième tranchées 42, 43, que l’on désignera également par « tranchées latérales », s’étendant de part et d’autre du guide d’onde 11 et de la chaufferette 12. Les tranchées latérales 42, 43 s’étendent selon la première direction X. Ces tranchées 42, 43 isolent le guide d’onde 11 et la chaufferette 12 du reste de la première couche 21. Afin de fournir une isolation thermique adéquate, les tranchées latérales 42, 43 présentent des profondeurs Z₄₂, Z₄₃, mesurée depuis la deuxième couche 22, supérieure ou égale à la profondeur Z₁₁du guide d’onde 11. Ainsi, ces tranchées forment un canal isolé entre la chaufferette 12 et le guide d’onde 11 permettant de transférer une partie substantielle de la chaleur générée par la chaufferette 12. Afin de réduire la fuite thermique depuis le guide d’onde 11, il est avantageux que les tranchées latérales présentent des profondeurs Z₄₂, Z₄₃supérieure ou égale à 150 % de la profondeur Z₁₁du guide d’onde 11. Elles sont par exemple comprises entre 6000 nm et 15000 nm.

Les tranchées latérales 42, 43 sont par exemple le résultat d’une étape de gravure anisotrope dans la première couche 21. Elles présentent par exemple des profondeur Z₄ _2,Z₄₃constantes à +/- 20 % près et des flancs perpendiculaires au plan P à +/- 20° près.

Les tranchées latérales 42, 43 s’étendent avantageusement au moins sur toute la longueur L12 de la chaufferette 12 de manière à minimiser la fuite thermique selon la première direction X. Elles peuvent également présenter des largeurs W₄₂, W₄₃, mesurées selon la deuxième direction Y, respectivement comprises entre 100 nm et 1000 nm. Plus larges sont les tranchées latérales 42, 43 et meilleur est le découplage thermique de la chaufferette 12 et du guide d’onde 11 avec le bain thermique extérieur.

Chaque tranchée latérale 42, 43 peut être réalisée de telle manière qu’elle mette à nu un côté de la chaufferette 12 et/ou un côté du guide d’onde 11 (illustré par exemple pour la chaufferette 12c et le guide d’onde 11c dans la ). Selon une alternative, chaque tranchée latérale 42, 43 est distante de la chaufferette 12 d’une distance T₁₂, mesurée selon la deuxième direction Y, comprise entre 100 nm et 1000 nm et/ou du guide d’onde 11 d’une distance T₁₁, également mesurée selon la deuxième direction Y, comprise entre 100 nm et 1000 nm.

Afin d’isoler au mieux la chaufferette 12 des première et deuxième couche 21, 22, chaque tranchée supérieure 41 s’étend selon la deuxième direction Y de manière à déboucher dans chaque tranchée latérale 42, 43. Ainsi, il n’y a pas de pont thermique entre les différentes tranchées 41, 42, 43, permettant d’isoler au mieux la chaufferette 12 et le guide d’onde 11.

La deuxième couche 22 s’étend dans le plan P et sur la surface supérieure 210 de la première couche 21. De la sorte elle ferme de manière étanche les tranchées 41, 42, 43 et le volume isolant la chaufferette 12 et le guide d’onde 11. La deuxième couche 22 délimite ainsi un volume intérieur, celui des tranchées 41, 42, 43, d’un volume extérieur, au-dessus de la deuxième couche 22 dans lequel peut se dérouler des étapes d’intégration du modulateur 1. La deuxième couche 22 s’étend parallèlement au plan P et repose sur la surface supérieure 210 de la première couche 21. Ainsi, la deuxième couche 22 ne comble pas les tranchées 41, 42, 43.

Le modulateur 1 selon l’invention permet ainsi de réduire la puissance nécessaire pour moduler la phase d’un faisceau optique de . Dans un modulateur selon l’art antérieur, ne comprenant aucune tranchée, la puissance nécessaire est estimée à . Le modulateur 1 selon l’invention permet d’obtenir une puissance , soit réduite d’un facteur 4.

Les et représentent schématiquement un troisième mode de réalisation du modulateur 1. Il diffère du mode de réalisation des , , en ce que le modulateur 1 comprend une pluralité de guides d’onde 11. Dans cet exemple, le modulateur comprend trois guides d’onde 11a, 11b, 11c et trois chaufferettes 12a, 12b, 12c. Il est tout à fait envisageable que le modulateur 1 comprenne un plus grand nombre de guides d’onde 11, tel qu’une dizaine de guides d’onde 11, voire encore un nombre plus important encore, par exemple compris entre cent et mille guides d’ondes 11.

Chaque guide d’onde 11a-c s’étend parallèlement au plan P. Les trois guides d’onde 11a-c s’étendent par exemple dans un même plan, à une profondeur Z₁₁constante par rapport à la surface supérieure de la première couche. Les trois chaufferettes 12a-c s’étendent également dans un même plan, à une profondeur Z₁₂. Chaque chaufferette 12a-c est disposée à la verticale (selon la direction Z) d’un des guides d’onde 11a-c. Chaque guide d’onde 11a-c est donc disposé sous une seule chaufferette 12a-c.

À chaque guide d’onde 11a-c correspond des deuxième et troisièmes tranchées 42, 43, s’étendant selon la première direction X et de chaque côté d’un guide d’onde 11a-c. La première couche 21 comprend donc trois deuxièmes tranchées 42 et trois troisièmes tranchées 43. Dans ce mode de réalisation en particulier, une deuxième tranchée 42 peut être confondue avec une troisième tranchée 43. Par exemple, la troisième tranchée 43 d’un premier guide d’onde 11a est confondue avec la deuxième tranchée 42 d’un deuxième guide d’onde 11b.

Dans ce mode de réalisation, tous les guides d’onde 11 et toutes les chaufferettes 12 sont dans une même chambre formée par toutes les tranchées. Dans ce mode de réalisation, la première couche 21 comprend avantageusement, pour chaque guide d’onde 11, une pluralité de tranchées supérieures 41. Autrement dit, la première couche 21 comprend, pour chaque guide d’onde 11, au moins une portion 211, dites « murets », assurant un support mécanique de la deuxième couche 22. Ainsi, même lorsque le modulateur 1 comprend un grand nombre de guides d’onde 11 (par exemple un millier), la deuxième couche 22 ne présente pas de risque d’effondrement.

Selon un développement de ce mode de réalisation, la deuxième tranchée 42 du deuxième guide d’onde 11b peut être séparée de la troisième tranchées 43 du premier guide d’onde 11a, par exemple au moyen d’une partie non gravée de la première couche 21, formant une paroi entre les deux tranchées 42, 43. Cette paroi peut également fournir un support mécanique à la deuxième couche 22. Toutefois, ce développement présente un encombrement latéral augmenté, du fait des parois supplémentaires.

Les et représentent schématiquement un quatrième mode de réalisation du modulateur 1. Ce mode de réalisation diffère du mode de réalisation des et en ce que les portions 211 de première couche 21, dites « murets », ne séparent que partiellement les tranchées supérieures 41. Chaque muret 211 présente par exemple une longueur L₂₁₁, inférieure à la longueur L₄₁des tranchées supérieures 41 qu’il sépare. De la sorte, la fuite thermique entre la chaufferette 12 et la deuxième couche 22 est davantage réduite tout en assurant un support mécanique de la deuxième couche 22.

La , , et représentent schématiquement un cinquième mode de réalisation du modulateur 1. Ce mode de réalisation diffère du mode de réalisation des et en ce que le substrat semiconducteur 30 sur lequel repose la première couche 21 comprend une quatrième tranchée 44, également désignée par « tranchée inférieure ». La tranchée inférieure 44 s’étend sous une portion au moins du guide d’onde 11. Elle est disposée à l’aplomb de la portion du guide d’onde 11 couplée thermiquement avec la chaufferette 12. Elle est donc avantageusement disposée à l’aplomb de la chaufferette 12. La tranchée inférieure 44 permet de découpler davantage le guide d’onde 11 et la chaufferette 12 de l’environnement extérieur. La tranchée inférieure 44 s’étend préférentiellement selon la première direction X. Elle présente par exemple une longueur L₄₄, mesurée selon la première direction X, supérieure à 50 % de la longueur L₁₂de la chaufferette 12, voire strictement supérieure cette longueur L₁₂. De manière préférée, la tranchée inférieure 44 s’étend sur la même longueur que les tranchées latérales 42, 43. De la sorte, elle forme, avec les tranchées latérales 42, 43, un canal isolé entre la chaufferette 12 et le guide d’onde 11, permettant de transférer une partie substantielle de la chaleur générée par la chaufferette 12 au guide d’onde 11.

Dans le mode de réalisation illustré, chaque tranchée latérale 42, 43 débouche dans la quatrième tranchée 44, permettant de former un volume vide (ou comprenant de l’air ou un autre gaz) entourant complètement l’ensemble comprenant la chaufferette 12 et la guide d’onde 11.

En l’absence d’un support mécanique suffisant (par exemple fournit par les murets 221), la partie de la première couche 21 comprenant le guide d’onde 11 et la chaufferette 12 peut s’affaisser dans la tranchée inférieure 44. En effet, dans les modes de réalisation des à [4b], le ou les guides d’onde 11 ainsi que la ou les chaufferettes 12 sont portées par la première couche 21 qui trouve elle-même un appui sur le substrat 30. En l’absence d’appui sur le substrat 30, le guide d’onde 11 et la chaufferette 12, Le risque d’affaissement croît avec la longueur L₄₄de la tranchée inférieure 44. Pour éviter cet affaissement, la tranchée inférieure 44 peut être discontinue (à la manière d’une ligne discontinue). Elle comporte alors des tronçons successifs, distants les uns des autres, alignés selon la première direction X. Ces tronçons sont par exemple répartis selon un pas constant le long de la première direction X. Deux tronçons consécutifs sont alors séparés par une portion de la première couche 21 (similaire aux murets 211). Chaque portion de première couche 21 séparant les tronçons de la tranchée inférieure 44 fournit alors un support mécanique à la partie de la première couche 21 comprenant le guide d’onde 11 et la chaufferette 12.

Selon un développement, les tranchées latérales 42, 43 peuvent également être discontinues. Chacune des tranchées latérales 42, 43 comporte également des tronçons 42a-e, 43a-e successifs, à la manière d’une ligne discontinue. Deux tronçons 42a-e, 43a-e consécutifs sont séparés par des portions 212, 213 du matériau diélectrique de la première couche 21, que l’on désignera également par « ailettes ». Les ailettes 212, 213 s’étendent parallèlement à un plan {Y ; Z} et sont réparties selon la première direction. Les ailettes 212, 213 offrent ainsi un support mécanique au guide d’onde 11 et à la chaufferette 12.

Afin de limiter la fuite thermique à travers les ailettes 212, 213, elles présentent préférentiellement une épaisseur, mesurée selon la première direction X, inférieure à 5 µm, par exemple comprise entre 100 nm et 2 µm. Elles s’étendent, selon la direction Z, sur une hauteur Z₂₁₃supérieure ou égale à la hauteur entre la chaufferette 12 et le guide d’onde 11. De manière préférée, elles s’étendent sur toute la hauteur du matériau diélectrique de la première couche 21 enrobant la chaufferette 12 et le guide d’onde 11, de manière à assurer un contact mécanique fiable.

La représente schématiquement un mode de réalisation d’un procédé de fabrication 100 permettant d’obtenir le modulateur 1 selon l’invention. Il est décrit en référence aux à . Le procédé 100 comprend dans un premier temps une étape de formation 101 d’une première couche 21 en matériau diélectrique, telle qu’illustrée par la . À cette étape-là, la première couche 21 ne comprend pas encore les différentes tranchées 41, 42, 43 telles que décrites plus haut. La première couche 21 est déposée sur un substrat semiconducteur 30 et elle comprend un guide d’onde 11 et une chaufferette 12 couplée thermiquement à une portion du guide d’onde 11. Le matériau diélectrique formant la première couche 21 peut être un oxyde semiconducteur tel que le SiO₂. Le guide d’onde 11 et la chaufferette 12 sont enrobés (ou encapsulés) dans le matériau diélectrique.

La formation du guide d’onde 11 peut être réalisée à partir d’un substrat de type silicium sur isolant ou « SOI » pour « Silicon On Insulator » en anglais. Un substrat SOI comprend alors le substrat semiconducteur 30 du futur dispositif 1 en tant que tel, une couche de silicium dans laquelle peut être gravé le guide d’onde 11, et une couche en matériau diélectrique 21 disposée entre la couche de silicium et le substrat semiconducteur 30.

Le procédé 100 comprend également une étape de gravure 102 de la première couche 21, telle qu’illustrée par la , de manière à former une pluralité de premières tranchées 41 disposée au-dessus de la chaufferette 12. Il s’agit par exemple d’une gravure anisotrope à travers un masque dur déposé précédemment.

Le procédé 100 comprend ensuite une autre étape de gravure 103 de la première couche 21, telle qu’illustrée par la , de manière à former, une deuxième tranchée 42 et troisième tranchée 43 de part et d’autre du guide d’onde 11 et de la chaufferette 12. Il peut également s’agir d’une gravure anisotrope réalisée selon la direction Z, à travers un masque dur. La gravure 103 est réalisée de manière à intersecter chaque première tranchée 41 de sorte que celles-ci débouchent dans la deuxième tranchée 42 et dans la troisième tranchée 43.

Le procédé 100 comprend enfin une étape de formation 104 d’une deuxième couche en matériau diélectrique, telle qu’illustrée par la , s’étendant parallèlement à la surface supérieure de la première couche 21. Le matériau diélectrique formant la deuxième couche 22 peut également être un oxyde semiconducteur tel que le SiO₂. Elle est formée par dépôt ou par collage d’une couche en matériau diélectrique sur la première couche 21 de manière à recouvrir chaque tranchées 41, 42, 43.

Selon une variante, illustrée par la , l’étape de formation de la deuxième couche 104 peut comprendre quatre sous-étapes 104a, 104b, 104c et 104d, illustrées par les , et . Cette variante permet notamment de s’assurer que la deuxième couche 22 ne s’effondre pas dans les tranchées 41, 42, 43 lors de sa formation.

Ainsi, l’étape de formation 104 comprend dans un premier temps, avant l’étape de gravure 103 des deuxième et troisième tranchées 42, 43, une sous-étape de remplissage 104a de chaque première tranchée 41 avec un matériau sacrificiel 1041, telle qu’illustrée par la . Le matériau sacrificiel 1041 est par exemple du SiO₂, du SiN, du Ge ou une résine polymère. L’étape de remplissage 104a comprend également le polissage d’un excédent de matériau sacrificiel 1041 jusqu’à atteindre la surface supérieure de la première couche 21.

L’étape de formation 104 comprend également, une sous-étape de dépôt 104b de la deuxième couche 22 sur la première couche 22 de manière à recouvrir complètement le matériau sacrificiel 1041 dans les première tranchée 41. Le matériau sacrificiel 1041 fournit ainsi un support permettant d’éviter que la deuxième couche 22 ne s’affaisse.

Dans cette variante, l’étape de gravure 103 des tranchées latérales 42, 43 est réalisée à travers la deuxième couche 22. Les tranchées latérales 42, 43 débouchent alors sur la surface supérieure de la deuxième couche 22.

Après la gravure 103 des tranchées latérales, l’étape de formation 104 comprend également la sous-étape de retrait 104c du matériau sacrificiel 1041 des premières tranchées 41, telle qu’illustrée par la . Les ouvertures laissées par les tranchées latérales 42, 43 dans la deuxième couche 22 et les premières tranchées 41 débouchant dans les tranchées latérales 42, 43 permettent de réaliser une gravure sélective du matériau sacrificiel par rapport au matériau diélectriques des premières et deuxièmes couches 21, 22. Les premières tranchées 41 sont ainsi libérées et la deuxième couche 22 prend uniquement appui sur les murets 211 tels que décrits précédemment.

La deuxième couche 22, qui comprend une ouverture laissée par chaque tranchée latérale 42, 43, est refermée lors d’une sous-étape d’épaississement 104d de la deuxième couche 22. Un matériau diélectrique est déposé sur la deuxième couche 22 de manière à épaissir la deuxième couche 22 selon une direction perpendiculaire au plan des couches. Cet épaississement 104d referme progressivement les ouvertures dans la deuxième couche 22. Afin de limiter la quantité de matériau qui tombe dans les tranchées latérales 42, 43 lors de cette étape d’épaissement, elle met avantageusement en œuvre le dépôt d’un oxyde semiconducteur de faible densité. Le dépôt d’oxyde de faible densité est décrit par le document [« Reducing BEOL Parasitic Capacitance Using Air Gaps", Michael Hargrove, Oct. 2017, Semiconductor Engineering, https://semiengineering.com/reducing-beol-parasitic-capacitance-using-air-gaps].

La montre un exemple de modulateur 1 obtenu au moyen de la variante du procédé 100. Il s’agit d’une coupe du modulateur 1. La deuxième couche 22 comporte deux sous-couches A et B. La première sous-couche A s’étend sur la première couche 21 et en particulier sur la surface supérieure 210 de la première couche 21. La gravure 103 des tranchées latérales est par exemple réalisée à travers cette première sous-couche A. La deuxième sous-couche B est déposée sur la première sous-couche A de manière à épaissir la deuxième couche 22 et fermer les ouvertures laissées par les tranchées latérales 42, 43. La deuxième sous-couche B est particulière en ce qu’elle présente, au niveau des ouvertures de la première sous-couche A, des flancs obliques, par exemple orienté avec un angle compris entre 10 ° et 45 ° par rapport à la direction Z et formant un cône au-dessus de chaque ouverture.

Le modulateur 1 selon l’invention peut avantageusement être mis en œuvre dans un réseau d’antennes phasées. La illustre un mode de réalisation d’un réseau d’antennes phasées 5 comprenant :

une pluralité d’antennes 52, alignées selon une direction et réparties le long de cette direction selon un pas d constant ; et
un diviseur de puissance 51 configuré pour diviser la puissance optique d’un faisceau optique cohérent incident, le faisceau optique incident présentant une longueur d’onde supérieure ou égale au pas constant d.

Dans le mode de réalisation de la , le réseau d’antennes phasées 5 comprend une pluralité de modulateurs 1 tel que décrit précédemment. Chaque modulateur 1 comprend avantageusement un seul guide d’onde 11 (tel qu’illustré aux , , , , ou , , , ), faisant partie du chemin optique entre le diviseur de puissance 51 et une antenne 52 de la pluralité d’antennes 52.

La illustre un deuxième mode de réalisation d’un réseau d’antennes phasées 5. À la différence du mode de réalisation de la , il comprend un seul modulateur 1 tel que décrit précédemment. Le modulateur 1 comprend avantageusement une pluralité de guides d’onde 11 (tel qu’illustré aux , , , , ou , , , ), chaque guide d’onde 11 du modulateur 1 faisant partie du chemin optique entre le diviseur de puissance 51 et une antenne 52.

Ledit réseau 5 selon l’un des deux modes de réalisation peut appartenir à un système de télédétection par laser.

Claims

Modulateur (1) de phase optique comprenant :
une première couche (21) en matériau diélectrique s’étendant dans un plan (P), dans laquelle s’étend, selon une première direction (X) parallèle au plan, au moins un guide d’onde (11) et au moins une chaufferette (12), ladite au moins une chaufferette étant disposée au-dessus dudit au moins un guide d’onde et couplée thermiquement à une portion dudit au moins un guide d’onde, la première couche en matériau diélectrique comprenant, pour chaque guide d’onde :

au moins une première tranchée (41), s’étendant selon un deuxième direction (Y), parallèle au plan et perpendiculaire à la première direction, disposée au-dessus de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde ;

une deuxième tranchée (42) et une troisième tranchée (43) s’étendant chacune selon la première direction, de part et d’autre du guide d’onde et de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde, ladite au moins une première tranchée disposée au-dessus de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde débouchant dans la deuxième tranchée et dans la troisième tranchée ;

une deuxième couche (22) en matériau diélectrique s’étendant parallèlement au plan et sur la première couche en matériau diélectrique et recouvrant chaque première, deuxième et troisième tranchées.
Modulateur (1) selon la revendication précédente, dans lequel pour chaque guide d’onde (11), la deuxième tranchée (42a-e) et la troisième tranchée (43a-e) sont discontinues et comprennent chacune des tronçons (42a-e, 43a-e) séparés les uns des autres par le matériau diélectrique (212, 213) de la première couche (21), alignés selon la première direction (X).
Modulateur (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant un substrat semiconducteur (30) sur lequel s’étend la première couche (21) en matériau diélectrique, le substrat semiconducteur comprenant, pour chaque guide d’onde (11), une quatrième tranchée (44) s’étendant selon la première direction (X) et disposée sous ledit guide d’onde, chaque deuxième tranchée (42a-e) et chaque troisième tranchée (43a-e) de part et d’autre du guide d’onde débouchant dans la quatrième tranchée.
Modulateur (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel pour chaque guide d’onde (11), une distance (W₂₁₁) séparant deux premières tranchées (41) consécutives selon la première direction (X) est inférieure à 5 µm.
Modulateur (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel pour chaque guide d’onde (11), la première couche (21) en matériau diélectrique comprend une seule première tranchée (41) dont la largeur (W₄₁), mesurée selon la première direction (X), est supérieure 50 % de la longueur (L₁₂) de la chaufferette (12) couplée thermiquement au guide d’onde.
Modulateur (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins dix guides d’onde (11) et préférentiellement au moins cent guides d’onde.
Procédé (100) de fabrication d’un modulateur (1) de phase optique, comprenant les étapes suivantes :
former (101) une première couche (21) en matériau diélectrique s’étendant dans un plan (P), dans laquelle s’étend, selon une première direction (X) parallèle au plan, au moins un guide d’onde (11) et au moins une chaufferette (12), ladite au moins une chaufferette étant disposée au-dessus dudit au moins un guide d’onde et couplée thermiquement à une portion dudit au moins un guide d’onde ;

graver (102) la première couche en matériau diélectrique de manière à former, pour chaque guide d’onde, au moins une première tranchée (41), s’étendant selon une deuxième direction (Y), parallèle au plan et perpendiculaire à la première direction, disposée au-dessus de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde ;

graver (103) la première couche en matériau diélectrique de manière à former, pour chaque guide d’onde, des deuxième et troisième tranchées (42, 43) s’étendant chacune selon la première direction, de part et d’autre du guide d’onde et de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde, chaque première tranchée disposée au-dessus de la chaufferette couplée thermiquement au guide d’onde débouchant dans la deuxième tranchée et dans la troisième tranchée ;

former (104) d’une deuxième couche (22) en matériau diélectrique s’étendant parallèlement au plan et sur la première couche en matériau diélectrique et recouvrant chaque tranchées.
Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel l’étape de formation (104) de la deuxième couche (22) en matériau diélectrique comprend, avant l’étape de gravure (103) des deuxième et troisième tranchées, les sous-étapes suivantes :
remplir (104a) chaque première tranchée (41) avec un matériau sacrificiel (1041) ;
déposer (104b) la deuxième couche en matériau diélectrique sur la première couche en matériau diélectrique et recouvrant le matériau sacrificiel dans chaque première tranchée ;
dans lequel l’étape de gravure des deuxième et troisième tranchées est réalisée à travers la deuxième couche en matériau diélectrique, dans lequel l’étape de formation de la deuxième couche en matériau diélectrique comprend également, après l’étape de gravure des deuxième et troisième tranchées, les sous-étapes suivantes :
retirer (104c) le matériau sacrificiel de chaque première tranchée disposée au-dessus de chaque chaufferette ; et

épaissir (104d) la deuxième couche en matériau diélectrique de sorte qu’elle recouvre chaque deuxième et troisième tranchées.
Procédé (100) de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel l’étape d’épaississement (104d) de la deuxième couche (22) en matériau diélectrique est réalisée en déposant un oxyde de faible densité.
Réseau (5) d’antennes phasées comprenant :
une pluralité d’antennes (52), alignées selon une direction et réparties le long de cette direction selon un pas (d) constant ;

un diviseur (51) de puissance configuré pour diviser la puissance optique d’un faisceau optique cohérent incident, le faisceau optique incident présentant une longueur d’onde supérieure ou égale au pas constant ;
le réseau d’antennes phasées étant caractérisé en ce qu’il comprend :
un modulateur (1) de phase optique selon l’une des revendications 1 à 6, ledit modulateur comprenant une pluralité de guides d’onde (11), chaque guide d’onde du modulateur faisant partie du chemin optique entre le diviseur de puissance et une antenne de la pluralité d’antennes ; ou

une pluralité de modulateurs de phase optique selon l’une des revendications 1 à 6, chaque modulateur comprenant un seul guide d’onde, le guide d’onde de chaque modulateur faisant partie du chemin optique entre le diviseur de puissance et une antenne de la pluralité d’antennes.
Système de télédétection par laser comprenant un réseau (5) d’antennes phasées selon la revendication précédente.