WO2020221964A1 - Capteur a guide d'onde - Google Patents

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WO2020221964A1 PCT/FR2019/050998 FR2019050998W WO2020221964A1 WO 2020221964 A1 WO2020221964 A1 WO 2020221964A1 FR 2019050998 W FR2019050998 W FR 2019050998W WO 2020221964 A1 WO2020221964 A1 WO 2020221964A1
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fluid
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Michele CALVO
Stephane Monfray
Paul Charette
Guillaume BEAUDIN
Regis Orobtchouk
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SOCPRA Sciences et Genie SEC
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Centrale de Lyon
STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
Universite Claude Bernard Lyon 1
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SOCPRA Sciences et Genie SEC
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Centrale de Lyon
STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
Universite Claude Bernard Lyon 1
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Definitions

  • This description relates generally to the field of photonic circuits (optical or optoelectronic), and more particularly a sensor comprising a waveguide.
  • a sensor waveguide is used to determine whether or not a molecule or a particle to be detected is present near the waveguide, in a dielectric fluid (liquid or gas) in contact with the waveguide. Indeed, when an optical mode of a signal propagates in the waveguide, its effective optical index, or effective refractive index, is modified if a molecule to be detected is placed sufficiently close to the waveguide, for example example in contact with the waveguide.
  • This variation of effective optical index modifies the propagation of the optical mode. By observing the propagation of this optical mode, or at least the values representative of this propagation, it is then possible to determine whether or not the molecule or particle to be detected is present in the dielectric fluid, or even to determine a concentration of this molecule or particle in the dielectric fluid.
  • One embodiment overcomes all or part of the drawbacks of known waveguide sensors.
  • One embodiment provides for a sensor comprising a hybrid waveguide comprising, on a support layer dielectric:
  • a second surface waveguide optically coupled to the first waveguide, parallel to the first waveguide, resting on the support layer, and comprising a surface configured to guide a surface mode; and a cavity intended to be filled with a dielectric fluid, laterally separating the first waveguide from said surface of the or each second waveguide.
  • said second waveguide is a plasmonic waveguide, said surface of the second waveguide being metallic and being configured to propagate surface plasmons.
  • the hybrid waveguide is configured to guide an optical mode of an optical signal when said fluid fills said cavity, and optionally covers the first waveguide and the second waveguide or guides. 'wave.
  • the effective optical index of said mode in the hybrid waveguide is greater than the refractive index of the fluid and the effective optical index of said mode in the first waveguide alone.
  • said mode is a radiated mode of the first waveguide, preferably mainly from the longitudinal side faces of the first waveguide.
  • the first waveguide comprises a dielectric or semiconductor strip, a lower face of which rests on and in contact with an upper face of said support layer and of which faces longitudinal sides constitute said longitudinal side faces of the first waveguide.
  • a dimension of said cavity between said longitudinal side face of the first waveguide and said surface of the second waveguide is less than an operating wavelength of the sensor.
  • a dimension of said cavity between said longitudinal side face of the first waveguide and said surface of the second waveguide is determined by simulation.
  • the cavity extends in width from said longitudinal lateral face of the first waveguide to said surface of the second waveguide, said surface of the second waveguide being parallel to said longitudinal side face.
  • the senor comprises a resonant annular waveguide consisting entirely or part of the hybrid waveguide defined above.
  • the senor comprises a Mach-Zehnder type interferometer consisting entirely or part of the hybrid waveguide defined above.
  • faces of the first waveguide intended to be in contact with said fluid and / or faces of the second waveguide intended to be in contact with said fluid are functionalized as a function of a molecule or a particle to be detected in said fluid
  • the senor is suitable for detecting, in said fluid, a molecule or a particle of size up to 5 ⁇ m.
  • Another embodiment provides a method of manufacturing a sensor comprising a hybrid waveguide comprising, on a dielectric support layer:
  • a second surface waveguide optically coupled to the first waveguide, parallel to the first waveguide, resting on the support layer, and comprising a surface configured to guide a surface mode; and a cavity intended to be filled with a dielectric fluid, laterally separating the first waveguide from said surface of the or each second waveguide, the method comprising the following successive steps:
  • step a determining, by simulation of the sensor in which the cross section of the first waveguide has the dimensions determined in step a), a position of the or each second waveguide with respect to the first waveguide so that the effective optical index of said mode in the hybrid waveguide is greater than the refractive index of the fluid;
  • the sensor defined above is obtained according to the method defined above.
  • FIG. 1 schematically shows views A and B respectively from above and in section, of an embodiment of a waveguide sensor
  • FIG. 2 schematically represents views A and B respectively from above and in section, of another embodiment of a waveguide sensor
  • FIG. 3 represents, in the form of blocks, an embodiment of a method of manufacturing a waveguide sensor of the type of that of FIG. 1 or 2;
  • FIG. 4 represents schematic sectional views A and B illustrating an embodiment of manufacturing steps of a waveguide sensor of the type of that of FIG. 1;
  • FIG. 5 represents schematic sectional views A and B illustrating an embodiment of manufacturing steps of a waveguide sensor of the type of that of FIG. 1;
  • FIG. 6 represents schematic sectional views A and B illustrating an embodiment of manufacturing steps of a waveguide sensor of the type of that of FIG. 2;
  • FIG. 7 represents schematic sectional views A, B and C illustrating an embodiment of manufacturing steps of a waveguide sensor of the type of that of FIG. 2; [0029] [Fig. 8] FIG. 8 represents a sectional view of an alternative embodiment of a sensor of the type of that of FIG. 1;
  • FIG. 9 shows a schematic top view of another embodiment of a waveguide sensor
  • FIG. 10 represents schematic views A and B, respectively in section and from above, of another variant embodiment of a sensor of the type of that of FIGS. 1, 2 and 8;
  • FIG. 11 represents a view in section of the sensor of FIG. 1, according to an alternative embodiment.
  • the hybrid waveguide is here an optical / plasmonic hybrid waveguide comprising an optical waveguide, that is to say a waveguide whose heart is intended to propagate an optical signal, one or two plasmonic waveguides optically coupled with the optical waveguide, and, between the optical waveguide and each plasmonic waveguide, a cavity separating the guides from wave and being intended to be filled with the fluid.
  • the optical waveguide is a dielectric optical waveguide, that is to say made up of dielectric materials.
  • the dielectric optical waveguide is configured so that the optical mode that it propagates is a radiated mode, i.e. a mode which is not confined within the core of the optical waveguide. dielectric because the effective optical index of this mode in the core of the dielectric optical waveguide is lower than the refractive index of the dielectric fluid surrounding it. This optical mode then radiates to the plasmon waveguide to create there a delocalized surface plasmon mode or plasmon-polariton, that is to say surface plasmons.
  • the hybrid waveguide is configured so that the radiated optical mode of the dielectric optical waveguide and the plasmonic mode of the plasmonic waveguide (s) couple, then creating an optical mode, or supermode, guided and confined in the hybrid waveguide of the causes the effective optical index of the optical supermode in the hybrid waveguide to be greater than the refractive index of the dielectric fluid surrounding it.
  • One advantage of such a sensor is that the losses by propagation in the hybrid waveguide are lower than in a purely plasmonic waveguide.
  • an advantage of such a sensor is that the sensitive surface of the sensor, which corresponds to a metal surface of the plasmon waveguide, is easy to functionalize.
  • this metallic surface can be functionalized in a specific manner, that is to say that one can selectively choose functionalization molecules which will be on this metallic surface and / or optionally functionalization molecules which will be on one or more dielectric materials.
  • an advantage of such a sensor is that the cavity separating the dielectric optical waveguide from a plasmonic waveguide has dimensions greater than those of a cavity separating two optical waveguides coupled by coupling evanescent ("slot waveguides").
  • slot waveguides the size of molecules or particles that can be detected using the sensor proposed here is larger than that of molecules or particles that can be detected in a sensor where the molecule or particle should be in a cavity separating two dielectric optical waveguides coupled together by evanescent coupling to be detected.
  • An advantage of such a sensor is that it is compact and that its manufacture is compatible with the techniques and the steps used in the manufacture of photonic integrated circuits.
  • One advantage of such a sensor is that it is more sensitive than a sensor comprising only dielectric optical waveguides, that is to say not comprising any plasmonic waveguide.
  • an optical / plasmonic hybrid waveguide sensor in which the optical signal used to detect a molecule in a dielectric fluid has a length d the wave comprised in the near infrared, that is to say between 780 nm and 3 ⁇ m, for example approximately equal to 1.31 ⁇ m or 1.55 ⁇ m, preferably equal to or approximately equal to 1.31 ⁇ m.
  • FIG. 1 schematically represents views A and B respectively from above and in section, of an embodiment of a hybrid optical / plasmonic waveguide sensor, view B being a view in section according to plane BB of view A.
  • the sensor comprises a dielectric optical waveguide 100 and two identical plasmonic waveguides 102 and 103.
  • the waveguides 100, 102 and 103 form the hybrid optical / plasmonic waveguide of the sensor.
  • the waveguides 100, 102 and 103 are based on a dielectric support layer 106, for example made of silicon oxide. In the example of FIG. 1, the layer 106 rests on and in contact with a substrate 108, for example made of silicon.
  • the waveguides 100, 102 and 103 are parallel in the direction of their length. More particularly, a first lateral face 1002 of the waveguide 100, here parallel to the longitudinal direction of the waveguide 100, is opposite and parallel to a face 1021 of the waveguide 102 (top in view A and to the right in view B). The other side face 1003 of the waveguide 100, also parallel to the longitudinal direction of the waveguide 100, is opposite and parallel to a face 1031 of the waveguide 103 (at the bottom in view A and left in view B). The faces 1021 and 1031 correspond to the surfaces of the waveguides 102 and 103 where the plasmon modes will be located.
  • a cavity, or trench, 110 extends in width from the waveguide 100 to the waveguide 102, and more particularly from the face 1002 to the face 1021.
  • a cavity, or trench 112 extends in width from the waveguide 100 to the waveguide 103, and more particularly from the face 1003 to the face 1031.
  • the cavities 110 and 112 have substantially identical dimensions, preferably identical.
  • the bottom of the cavities 110 and 112 is at the same level as the upper face of the support layer 106, or, in other words, portions of the upper face of the layer 106 constitute the bottoms of the cavities 110 and 112.
  • the optical waveguide 100 comprises a strip 1001 made of a dielectric material, for example silicon nitride, or a semiconductor, for example silicon.
  • the lower face of the tape 1001 rests on and in contact with the upper face of the layer 106.
  • the tape 1001 has, for example, a rectangular cross section.
  • the side faces of the tape 1001 parallel to the longitudinal direction of the tape 1001, that is to say the longitudinal side faces of the tape 1001, correspond to the respective faces 1002 and 1003.
  • the waveguide 102, 103 respectively, comprises a metal layer 114, or, more exactly, a portion of the layer 114.
  • the metal layer 114 rests on and in contact with the upper face of the layer 106.
  • the thickness of the layer 114 is here measured in a direction orthogonal to the upper face of the layer 106.
  • the faces 1021 and 1031 correspond to side faces of the layer 114.
  • the thickness of the layer 114 is equal to the height of the waveguide 100, that is to say to the height of the ribbon 1001 in this example, the height of the waveguide 100 being here measured in a direction orthogonal to the upper face of the layer 106.
  • the layer 114 is a layer of gold, titanium, tantalum, copper, silver, aluminum, tungsten or an alloy of several of these metals.
  • the layer 114 is made of gold, in particular because of the biocompatible nature of gold.
  • the layer 114 may be made of a material comprising one or more metals, for example one or more of the metals listed above by way of example, this material, for example titanium nitride or nitride of tantalum, having metallic behavior.
  • the senor In operation, the sensor is brought into contact with the dielectric fluid in which it is sought to detect the presence of a given molecule or particle, or even to determine a concentration of this molecule or of this particle in the fluid.
  • the dielectric fluid (not shown in FIG. 1) then fills the cavities 110 and 112.
  • the fluid covers the sensor, and more particularly the waveguides 100, 102 and 103, that is to say that the fluid also covers the upper face of the layer 114 and the upper face of the tape 1001.
  • An optical signal at the operating wavelength of the hybrid waveguide is then supplied to the waveguide 100, for example at one end of the waveguide 100 or along a portion of the waveguide 100, for example by evanescent coupling, or near field coupling.
  • the dimensions of the cross section of the waveguide 100 are chosen so that an optical mode of the signal propagating in the waveguide 100 corresponds to an optical mode radiated from the waveguide 100, and, more particularly, a optical mode radiating mainly through the faces 1002 and 1003 of the waveguide 100.
  • the width of the cavity 110, respectively 112 is chosen so that the radiated optical mode reaches the face 1021 of the waveguide 102, respectively the face 1031 of waveguide 103, to generate plasmons-polaritons there.
  • the coupling of the plasmonic mode with the radiated optical mode results in an optical supermode which propagates, in a confined manner, in the hybrid waveguide.
  • the power of the supermode is mainly comprised in the cavities 110 and 112.
  • the width of the cavities 110 and 112 is such that, in a plane orthogonal to the longitudinal direction of the waveguide 100, the power of the optical mode radiated out of the waveguide 100 and measured at the level of the face 1021 or 1031, is greater than or equal to 1%, preferably greater than or equal to 10%, of the total optical power of this mode in the plane considered.
  • the width of the cavities 110 and 112 is less than the operating wavelength of the sensor.
  • the relationship between the variation of the effective optical index of the supermode in the hybrid waveguide and the concentration of the molecule or of the particle to be detected in the dielectric fluid for example following a step calibration of the sensor, it is possible to determine, for example by observing a variation in the optical power of the supermode during its propagation in the hybrid waveguide, the concentration of this molecule or particle in the dielectric fluid.
  • FIG. 2 diagrammatically represents views A and B respectively from above and in section, of another embodiment of a waveguide sensor, view B being a view in section according to the BB plane of view A.
  • the sensor of Figure 2 differs from the sensor of Figure 1 by the structure of the plasmon waveguides 102 and 103 that it comprises.
  • the waveguides 102 and 103 comprise a thick metal layer 114 and the faces 1021 and 1031 of the respective guides 102 and 103 are side faces of the layer 114.
  • the waveguides 102 and 103 comprise a thin metallic layer 116 covering side faces 1182 and 1183 with a layer 118, or even, as is the case in the example of FIG. 2, the side upper layer 118.
  • Layer 118 is for example a dielectric or metallic layer.
  • the faces 1182 and 1183 of the layer 118 are parallel and opposite the faces 1002 and 1003 of the waveguide 100.
  • the vertical portion of the layer 116 disposed on and in contact with the face 1182, respectively 1183, of the layer 118 comprises a face 1021, respectively 1031, parallel and opposite. with respect to the face 1002, respectively 1003.
  • the thickness of the vertical portions of the layer 116 facing the faces 1002 and 1003 of the waveguide 100 is for example greater than or equal, preferably greater, to the skin thickness, to the operating wavelength of the sensor, of the material constituting the layer 116.
  • Layer 116 is for example made of the same material as layer 114 described in relation to FIG. 2.
  • the sensor of Figure 2 is thinner than the layer 114 of the sensor of Figure 1, the sensor of Figure 2 is less expensive to manufacture than the sensor of Figure 1 when the constituent material of these layers is an expensive material like gold.
  • FIG. 3 represents, in the form of blocks, an embodiment of a method of manufacturing a waveguide sensor of the type of that of FIG. 1 or 2.
  • a step 3000 (block "n effi OPTICAL WAVEGUIDE”), the dimensions of the waveguide 100, and more particularly the dimensions of the cross section of the strip 1001 of the waveguide 100, are determined.
  • the behavior of a fictitious device corresponding to the sensor of FIG. 1 or 2 in which the plasmonic waveguides 102 and 103 are deleted is simulated.
  • this fictitious device corresponds to the sensor of FIG. 1 in which the layer 114 is omitted, or to the sensor of FIG. 2 in which the layers 116 and 118 are omitted.
  • the dielectric fluid covers the fictitious device, up to a level at least equal, preferably higher, at the level of the upper face of the waveguide 100, that is to say of the upper face. of the ribbon 1001.
  • the effective optical index n effi of a given optical mode intended to be the radiated mode of the waveguide 100 is then calculated, in particular from the refractive index of the fluid, from the index of refraction of the material of the layer 106, of the refractive index of the material of the strip 1001 and of the dimensions of the cross section of the waveguide 100, therefore of the strip 1001.
  • This calculation of the index n effi is carried out by modifying the dimensions of the cross section.
  • the optical mode considered is then a mode radiated from the waveguide 100, in the dielectric fluid.
  • step 3000 consists in determining, for the optical mode of interest, the minimum cross section of the strip 1001 for which this optical mode is confined, that is to say that the index n effi of this mode is greater than the refractive index of the fluid and the refractive index of the material of the layer 106.
  • At least one of the dimensions (height, width) of this minimum cross section preferably a single dimension, and even more preferably, the width measured in a direction orthogonal to the faces 1002 and 1003, is then reduced, for example by less than 10%, preferably by less than 5%.
  • the index n effi of the optical mode considered is less than the refractive index of the dielectric fluid, from which it follows that this optical mode is a radiated mode of the waveguide 100.
  • n eff 2 HYBRID WAVEGUIDE the effective optical index n eff 2 of the optical mode considered in step 3000 is calculated for the hybrid waveguide of the sensor of FIG. 1 or 2, by simulating the behavior of this sensor.
  • the dimensions of the cross section of the waveguide 100 are those determined in step 3000 so that the optical mode is a radiated mode of the waveguide 100.
  • the fluid covers the sensor in the same way as in step 3000.
  • the index n eff 2 is calculated for several positions of the plasmonic waveguides 102 and 103 with respect to the optical waveguide 100 , that is to say for several widths of the cavities 110 and 112.
  • a width of the cavities 110 and 112 is then selected so that the index n eff 2 of the mode considered, for this width, is greater than the index refraction of the fluid and the material of the layer 106.
  • the optical mode considered radiates from the optical waveguide 100 to the faces 1021 and 1031 of the plasmonic waveguides 102 and 103 where it turns into a guided supermode in the hybrid waveguide.
  • the selected width is further determined by the size of a molecule or a particle to be detected, so that this molecule or this particle can be lodged in a cavity 110 or 112, and / or by the distribution, in a plane orthogonal to the longitudinal direction of the waveguide 100, the optical power of the optical mode, so that the majority of the optical power of the mode is in the cavities 110 and 112.
  • step 3002 Depending on the constraints (size of the molecule or of the particle to be detected, distribution of the power of the supermode in the hybrid waveguide, etc.) referred to in step 3002, several iterations of step 3000 then of step 3002 can be implemented to arrive at a configuration (dimensions of the cross section of the guide of optical wave, width of the cavity, etc.) of the hybrid waveguide satisfying these constraints.
  • the calculation, for given dimensions and materials, of the effective indices at the respective steps 3000 and 3002 is implemented by computer, for example by means of tools (software or programs) called mode solvers.
  • tools software or programs
  • These tools can be tools developed by a person skilled in the art implementing the method of FIG. 3.
  • These tools can also be commercial tools available for sale, for example the tool designated by the trade name FimmWave.
  • FimmWave commercial tools available for sale, for example the tool designated by the trade name FimmWave.
  • the optical mode propagated by the waveguide 100 is the fundamental transverse electrical mode (TE) of a signal having a wavelength equal to 1.31 ⁇ m.
  • the implementation of steps 3000 and 3002 leads to a sensor having the following dimensions: - between 300 and 350 nm, preferably equal to 300 nm for the width of the cross section of the strip 1001;
  • the cavities 110 and 112 extending in depth from a level equal to the level of the upper face of the strip 1001, up to a level equal to the level of the upper face of the layer 106.
  • step 3004 will now be described in relation to Figures 4, 5, 6 and 7. It will be noted that the materials constituting the waveguides 100, 102 and 103, as well as of the layer 106 used during the manufacture of the sensor, are those used during the calculation of the indices n effi and n eff 2, at respective steps 3000 and 3002.
  • FIG. 4 represents schematic sectional views A and B illustrating an embodiment of step 3004 of the method of FIG. 3, for a waveguide sensor of the type of that of FIG. 1 .
  • the waveguide 100 has been formed on the upper face of the layer 106.
  • the waveguide 100 is formed by depositing a layer of the material of the tape 1001, the thickness of which corresponds to the height of the tape 1001, forming a mask covering a portion of the corresponding tape layer 1001, removing by etching the parts of the uncoated layer of the mask so leaving the tape 1001 in place, and removing the mask.
  • a mask 4000 preferably made of resin, was then deposited so as to cover the tape 1001 and to extend laterally from the faces 1002 and 1003 of the tape to the location of the future faces 1021 and 1031 of the waveguides 102 and 103.
  • the mask 4000 is deposited in a conformal manner, on a thickness greater than the thickness of the future layer 114.
  • the layer 114 is deposited over the entire structure obtained in the step illustrated by view A, in an anisotropic or non-conforming manner, so that the mask 4000 comprises an exposed, that is to say, uncoated part of the layer 114.
  • the mask 4000 is removed, taking with it the portion of the layer 114 which rests on the mask, so that the portions of the layer 114 left in place form the waveguides 102 and 103 and define the cavities 110 and 112. This process is commonly referred to as the “lift off” process. A sensor of the type of that of FIG. 1 is then obtained.
  • FIG. 5 represents schematic sectional views A and B illustrating another embodiment of step 3004 of the method of FIG. 3, for a waveguide sensor of the type of that of FIG. 1.
  • the waveguide 100 has been formed on the upper face of the layer 106, for example in the manner described in relation to view A of Figure 4
  • the layer 114 was then deposited in a conformal manner, with the desired thickness.
  • An etching mask 5000 was then formed on the portions of the layer 114 intended to constitute the waveguides 102 and 103.
  • the portions of the uncoated layer 114 of the mask 5000 have been removed by anisotropic etching up to the layer. 106.
  • the portions of the layer 114 left in place then form the waveguides 102 and 103 and define the cavities 110 and 112.
  • the mask 5000 is removed.
  • a sensor of the type of that of FIG. 1 is then obtained.
  • FIG. 6 represents schematic sectional views A and B illustrating an embodiment of step 3004 of the method of FIG. 3, for a waveguide sensor of the type of that of FIG. 2 .
  • the waveguide 100 has been formed on the layer 106, for example in the manner described in relation to FIG. 4.
  • the layer 118 has also been formed. , so that the layer 118 comprises the side faces 1182 and 1183 parallel and vis-à-vis the respective side faces 1002 and 1003 of the tape 1001.
  • the layer 118 is formed by conformal deposition then by removing by etching the portion of the layer 118 arranged between the faces 1182 and 1183.
  • the layer 118 and the waveguide 100 are made of the same material and are formed simultaneously.
  • a layer of this material is deposited in a conformal manner over the entire upper surface of the layer 106, with a thickness corresponding to the height of the strip 1001, then the portions of the layer arranged at the locations of the cavities 110 and 112 and of the portions verticals of layer 116 are removed during masking and etching steps.
  • the layer 116 is deposited with the desired thickness, in a consistent manner, over the entire structure.
  • a mask 6000 covering the vertical portions of the layer 116 arranged on the faces 1182 and 1183 of the layer 118, and possibly horizontal portions of the layer 116 resting on the upper face of the layer 118 and / or on the upper face of the layer 106, on the side of the faces 1183 and 1182.
  • the exposed portions of the layer 116 were then removed by etching, for example by isotropic etching so as to prevent portions of the layer 116 from being left in place on the bottom of the cavities 110 and 112.
  • the mask 6000 is removed and a sensor of the type of that of FIG. 2 is obtained.
  • FIG. 7 represents schematic sectional views A, B and C illustrating another mode of implementation of step 3004 of the method of FIG. 3, for a waveguide sensor of the type of that of figure 2.
  • the waveguide 100 has been formed on the layer 106, for example in the manner described in relation to FIG. 4.
  • the thickness of layer 7000 is greater than or equal to, preferably greater than, the height of tape 1001, so that the level of the top face of layer 7000 is above the level of the top face of tape 1001.
  • the layer 7000 is formed so that its upper face is substantially planar, for example by providing a polishing or mechanical-chemical planarization (CMP) step after the layer 7000 has been deposited in a compliant manner.
  • CMP mechanical-chemical planarization
  • Layer 7000 was then etched up to layer 106, leaving in place a portion of layer 7000 covering tape 1001 and extending laterally on either side of tape 1001, to the future locations of faces 1021 and 1031 respectively.
  • the layer 116 has been deposited over the entire structure obtained after the steps described in relation with view A of FIG. 7, preferably in accordance with the desired thickness.
  • a layer 118 for example of silicon oxide, was then deposited so that its upper face is substantially planar and at a level equal to the upper level of the layer 7000.
  • the layer 118 is formed by deposition of hydrogen silsesquioxane (HSQ from English Hydrogen SilesQuixane).
  • a planarization step for example by CMP, is then carried out to a level greater than or equal to that of the upper face of the tape 1001, so as to remove the horizontal portions of the layer 118 resting on the layer 7000.
  • the portions verticals left in place of the layer 116 cover the vertical faces 1182 and 1183 of the layer 118.
  • a mask 7002 was formed on the structure obtained after the implementation of the steps described in relation to view B of Figure 7.
  • An opening 7004 is provided in the mask 7002, facing the portions of the layer 7000 (not shown in view C, see view B) extending laterally from the face 1002, respectively 1003, of the tape 1001 to the face 1021, respectively 1031 , of the layer 116, and of the possible portion of the layer 7000 resting on the upper face of the tape 1001.
  • the mask 7002 covers the top of the vertical portions of the layer 116 which cover the faces 1182 and 1183 of the layer 118. From preferably, the mask 7002 projects over the portions of the layer 7000 extending laterally from the face 1002, respectively 1103, of the tape 1001 to the face 1021, respectively 1031, of the layer 116.
  • the portions of the layer 7000 not entirely coated with the mask 7002 are then removed by etching.
  • the space left free by the removal of these portions of the layer 7000 forms the cavities 110 and 112.
  • the mask 7002 is removed.
  • a sensor of the type of that in FIG. 2 is then obtained.
  • FIG. 8 represents a sectional view of an alternative embodiment of a sensor of the type of that of FIG. 1.
  • the hybrid waveguide of the sensor comprises only one plasmonic guide, here the plasmonic guide 103.
  • the plasmonic guide 102 has been omitted.
  • the remaining plasmonic waveguide 103 is of the type described in relation to FIG. 1 (thick layer 114).
  • This variant embodiment also applies to the case where the remaining plasmonic waveguide is of the type of that described in relation to FIG. 2 (thick layer 112).
  • Those skilled in the art are able to adapt the methods described in relation to FIGS. 3 to 8 to this variant embodiment.
  • those skilled in the art are able to determine the width of the cavity separating the waveguide 100 from the remaining plasmonic waveguide 102 or 103, for example by implementing step 3002 of the method of the FIG. 3 with a sensor whose hybrid waveguide only comprises a plasmonic waveguide 102 or 103.
  • FIG. 9 represents a schematic top view of another embodiment of a waveguide sensor.
  • the sensor comprises a first hybrid waveguide 9000 of which a first portion 9000A (delimited by dotted lines in FIG. 9) comprises a waveguide 100 coupled to two plasmonic waveguides 102 and 103 as has been described in relation to FIG. 1 or 2, and of which a second portion 9000B (delimited by dotted lines in FIG. 9) comprises the waveguide 100 coupled to the single waveguide 103, as has been described in relation to the FIG. 8.
  • the ribbon 1001 of the waveguide 9000 here forms a loop, for example of circular shape in top view, so as to constitute a resonant ring.
  • the sensor further comprises a second waveguide, here a hybrid waveguide 9002, for example rectilinear.
  • the waveguide 9002 comprises a portion 9002A (delimited by dotted lines in FIG. 9) comprising a waveguide 100 coupled to a single plasmonic waveguide 103, as has been described in relation to FIG. 8.
  • waveguide 9002 further comprises a portion 9002B disposed upstream of the portion 9002A and a portion 9002C disposed downstream of the portion 9002A, that is to say respectively to the right and to the left of the portion 9002A in the example of figure 9 where the optical signal is supplied at the end of guide 9002, which is on the right in figure 9.
  • the waveguide 100 of the portion 9002A of the hybrid guide 9002 is optically coupled with the waveguide 100 of the portion 9000B of the hybrid guide 9000, here by evanescent coupling.
  • the waveguide 9002 may be an optical waveguide, for example a ribbon waveguide similar to the waveguide 100 but in which the optical mode of interest is propagated in a manner confined, or, in other words, guided. A portion of this optical guide is then coupled to the waveguide 100 of the portion 9000B of the hybrid guide 9000.
  • a dielectric fluid optionally comprising a molecule or a particle to be detected covers the sensor.
  • a matched optical signal is provided to the waveguide 100 of the portion 9002B of the hybrid guide 9002.
  • the waveguide 9000 is configured to resonate at the wavelength of the optical signal.
  • the inventors have measured that a variation of one unit of the optical index (or refractive index) of the dielectric fluid (liquid or gas) in which one seeks to detect a particle or a molecule, causes an offset of 698 nm of the resonant wavelength of the 9000 waveguide.
  • the hybrid waveguides of the sensor of FIG. 9 can be of the type of any one of the hybrid waveguides described in relation to FIGS. 1 to 8.
  • a sensor has been described here using the resonance of an annular hybrid waveguide to detect a molecule, those skilled in the art are able to provide other embodiments of sensors. For example, those skilled in the art are able to design a sensor using the operating principle of a Mach-Zehnder interferometer, for example an interferometer in which the two branches of the interferometer are made from a guide. hybrid wave as described above.
  • a hybrid waveguide has hitherto been described comprising a dielectric optical waveguide and one or two plasmonic waveguides.
  • An optical supermode can be guided in hybrid waveguides of other types.
  • a hybrid waveguide consisting of an optical waveguide 100 as described above, coupled to one or two waveguides.
  • surface waves 102, 103 other than plasmonic it is expected that the surfaces 1021 and 1031 are not metallic surfaces but surfaces configured so that a surface guided mode, or surface guided mode, other than a plasmonic mode, propagates therein.
  • surface mode a mode which is guided only at the interface between two materials, corresponding here to the surfaces 1021 and 1031, the power of this mode on each side of the interface decreasing in an exponential manner.
  • an optical mode radiated from the optical guide 100 which reaches the surface 1021 or 1031 causes a surface guided mode to be created, that is to say is excited, and to occur. propagates on this surface.
  • the coupling between the radiated mode and the surface guided mode then results in a supermode.
  • the dimensions of such a hybrid waveguide are determined by adapting the method of FIG. 3 so that the supermode is guided in the hybrid waveguide.
  • Such a hybrid optical / surface waveguide benefits from the same advantages as a hybrid optical / plasmonic waveguide, except for the advantages linked to the presence of a metal surface in the hybrid waveguide.
  • FIG. 10 represents schematic views A and B, respectively in section and from above, of such an alternative embodiment of a sensor of the type of that of FIGS. 1, 2 and
  • the waveguide or waveguides 102, 103 coupled to the waveguide 100 to form a hybrid waveguide of the sensor are not plasmonic waveguides but have plasmonic behavior.
  • the surfaces 1021 and 1031 are not metallic, surface modes can be guided therein.
  • the waveguides 102 and 103 are made from a Bragg grating type structure, one face of which constitutes the face 1021, respectively 1031, of the respective waveguides 102 and 103. More particularly, each waveguide 103 and 102 comprises here, in a direction orthogonal to the faces 1021 and 1031, an alternation of layers 10001 and 10002, for example respectively made of silicon and of silicon nitride.
  • the thickness of the layers 10001 is between 300 and 600 nm, preferably equal to l / (4.ni) with ni the refractive index of the material of the layers 10001 and l the wavelength of the optical signal supplied to the optical waveguide 100.
  • the thickness of the layers 10002 is for example between 300 and 600 nm, preferably equal to 1 / (4.n2) with n2 the refractive index of the material of the layers 10002 .
  • those skilled in the art are able to determine the materials of the layers 10001 and 10002 and / or the thicknesses of these layers, so that a surface guided mode can be propagated by the faces 1021 and 1031 of the layers. waveguides 102 and 103.
  • a person skilled in the art is able to adapt the method described in relation to FIG. 3 to the case of a hybrid waveguide as described in relation to FIG. 10, comprising one or two waveguides.
  • wave 102, 103 with Bragg grating wave 102, 103 with Bragg grating
  • hybrid waveguide of FIG. 10 comprising one or both surface waveguides 102 and 103 with a Bragg grating, can be used to implement the sensor described in relation to FIG. 9.
  • FIG. 11 represents a view in section of the sensor of FIG. 1, according to an alternative embodiment.
  • a dielectric fluid 11001 for example water, covers the sensor, the fluid comprising molecules or particles 11002 to be detected.
  • the surface of the tape 1001 intended to be in contact with the fluid 11001 that is to say the surface of the tape 1001 which is in contact with the fluid 11001 in FIG. 11, has been functionalized by molecules 11004 one end of which binds to the material of the ribbon 1001, and the other end of which is configured to bind with a molecule or particle 11002. This increases the probability that a molecule or particle 11002 present in 11001 fluid is detected by the sensor.
  • the surface of the metal layer 114 is also to be functionalized as shown in FIG. 11. More particularly, in this example, the surface of the layer 114 intended to be in contact with the fluid 11001, that is to say the surface of the layer 114 which is in contact with the fluid 11001 in FIG. 11, is functionalized by molecules 11006, one end of which bonds to the material of the layer 114, and of which the other end is configured to repel molecules or particles 11002. This prevents molecules or particles 11002 to be detected from binding or depositing on layer 114. This increases the probability that a molecule or particle 11002 will instead come together. deposit in the vicinity of the strip 1001, and therefore the probability that this molecule or this particle is detected by the sensor.
  • the size of the particles for example of the microparticles or of the nanoparticles, or of the molecules that it is desired to detect with the hybrid waveguides and the sensors described is for example less than 5 ⁇ m, for example between 0.1 ⁇ m and 2 ⁇ m, it being understood that the size of a particle or of a molecule here designates its largest dimension.
  • the dielectric fluid is a liquid
  • this fluid can be a gas.
  • the dielectric liquid is water or a phosphate buffered saline (PBS) solution.
  • PBS phosphate buffered saline
  • the dielectric gas is ambient air, in which one seeks for example to detect microparticles such as benzene or hydrocarbons.
  • the present description is not limited to these examples of dielectric fluids.

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Abstract

La présente description concerne un capteur comprenant un guide d'onde hybride comportant, sur une couche de support diélectrique (106) : un premier guide d'onde optique diélectrique (100) reposant sur et en contact avec la couche de support; pour une ou chaque face latérale longitudinale (1002, 003) du premier guide d'onde, un deuxième guide d'onde surfacique(102, 103) couplé optiquement au premier guide d'onde, parallèle au premier guide d'onde, reposant sur la couche de support, et comprenant une surface (1021, 1031) configurée pour guider un mode surfacique; et une cavité (110, 112) destinée à être remplie d'un fluide diélectrique, séparant latéralement le premier guide d'onde de ladite surface du ou de chaque deuxième guide d'onde.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Capteur à guide d'onde
Domaine technique
[0001] La présente description concerne de façon générale le domaine des circuits photoniques (optiques ou optoélectroniques) , et plus particulièrement un capteur comprenant un guide d'onde.
Technique antérieure
[0002] Dans un capteur à guide d'onde, on utilise un guide d'onde du capteur pour déterminer si une molécule ou une particule à détecter est ou non présente à proximité du guide d'onde, dans un fluide diélectrique (liquide ou gaz) en contact avec le guide d'onde. En effet, lorsqu'un mode optique d'un signal se propage dans le guide d'onde, son indice optique effectif, ou indice de réfraction effectif, est modifié si une molécule à détecter est disposée suffisamment proche du guide d'onde, par exemple au contact du guide d'onde.
[0003] Cette variation d'indice optique effectif modifie la propagation du mode optique. En observant la propagation de ce mode optique, ou du moins des valeurs représentatives de cette propagation, on peut alors déterminer si la molécule ou particule à détecter est ou non présente dans le fluide diélectrique, voire déterminer une concentration de cette molécule ou particule dans le fluide diélectrique.
Résumé de 1 ' invention
[0004] Il existe un besoin d'améliorer au moins en partie certains aspects des capteurs à guide d'onde.
[0005] Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des capteurs à guide d'onde connus.
[0006] Un mode de réalisation prévoit un capteur comprenant un guide d'onde hybride comportant, sur une couche de support diélectrique :
-un premier guide d'onde optique diélectrique reposant sur et en contact avec la couche de support ;
-pour une ou chaque face latérale longitudinale du premier guide d'onde, un deuxième guide d'onde surfacique couplé optiquement au premier guide d'onde, parallèle au premier guide d'onde, reposant sur la couche de support, et comprenant une surface configurée pour guider un mode surfacique ; et -une cavité destinée à être remplie d'un fluide diélectrique, séparant latéralement le premier guide d'onde de ladite surface du ou de chaque deuxième guide d'onde.
[0007] Selon un mode de réalisation, ledit deuxième guide d'onde est un guide d'onde plasmonique, ladite surface du deuxième guide d'onde étant métallique et étant configurée pour propager des plasmons de surface.
[0008] Selon un mode de réalisation, le guide d'onde hybride est configuré pour guider un mode optique d'un signal optique lorsque ledit fluide remplit ladite cavité, et recouvre éventuellement le premier guide d'onde et le ou les deuxièmes guides d'onde.
[0009] Selon un mode de réalisation, l'indice optique effectif dudit mode dans le guide d'onde hybride est supérieur à l'indice de réfraction du fluide et à l'indice optique effectif dudit mode dans le premier guide d'onde seul.
[0010] Selon un mode de réalisation, ledit mode est un mode rayonné du premier guide d'onde, de préférence majoritairement à partir des faces latérales longitudinales du premier guide d'onde.
[0011] Selon un mode de réalisation, le premier guide d'onde comprend un ruban diélectrique ou semiconducteur dont une face inférieure repose sur et en contact avec une face supérieure de ladite couche de support et dont des faces latérales longitudinales constituent lesdites faces latérales longitudinales du premier guide d'onde.
[0012] Selon un mode de réalisation, une dimension de ladite cavité entre ladite face latérale longitudinale du premier guide d'onde et ladite surface du deuxième guide d'onde est inférieure à une longueur d'onde de fonctionnement du capteur.
[0013] Selon un mode de réalisation, une dimension de ladite cavité entre ladite face latérale longitudinale du premier guide d'onde et ladite surface du deuxième guide d'onde est déterminée par simulation.
[0014] Selon un mode de réalisation, la cavité s'étend en largeur depuis ladite face latérale longitudinale du premier guide d'onde jusqu'à ladite surface du deuxième guide d'onde, ladite surface du deuxième guide d'onde étant parallèle à ladite face latérale longitudinale.
[0015] Selon un mode de réalisation, le capteur comprend un guide d'onde annulaire résonnant constitué en tout ou partie du guide d'onde hybride défini ci-dessus.
[0016] Selon un mode de réalisation, le capteur comprend un interféromètre de type Mach-Zehnder constitué en tout ou partie du guide d'onde hybride défini ci-dessus.
[0017] Selon un mode de réalisation, des faces du premier guide d'onde destinées à être en contact avec ledit fluide et/ou des faces du deuxième guide d'onde destinée à être en contact avec ledit fluide sont fonctionnalisées en fonction d'une molécule ou d'une particule à détecter dans ledit fluide
[0018] Selon un mode de réalisation, le capteur est adapté à détecter, dans ledit fluide, une molécule ou une particule de taille allant jusqu'à 5 ym.
[0019] Un autre mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un capteur comprenant un guide d'onde hybride comportant, sur une couche de support diélectrique :
-un premier guide d'onde optique diélectrique reposant sur et en contact avec la couche de support ;
-pour une ou chaque face latérale longitudinale du premier guide d'onde, un deuxième guide d'onde surfacique couplé optiquement au premier guide d'onde, parallèle au premier guide d'onde, reposant sur la couche de support, et comprenant une surface configurée pour guider un mode surfacique ; et -une cavité destinée à être remplie d'un fluide diélectrique, séparant latéralement le premier guide d'onde de ladite surface du ou de chaque deuxième guide d'onde, le procédé comprenant les étapes successives suivantes :
-a) déterminer, par simulation d'un dispositif dépourvu de deuxième guide d'onde et comprenant le premier guide d'onde reposant sur la couche de support 106 et étant entouré dudit fluide, des dimensions d'une section transverse du premier guide d'onde telles que, pour un mode optique d'un signal se propageant dans le premier guide d'onde, l'indice optique effectif dudit mode est inférieur à l'indice de réfraction dudit fluide ;
-b) déterminer, par simulation du capteur dans lequel la section transverse du premier guide d'onde a les dimensions déterminées à l'étape a), une position du ou de chaque deuxième guide d'onde par rapport au premier guide d'onde de sorte que l'indice optique effectif dudit mode dans le guide d'onde hybride soit supérieur à l'indice de réfraction du fluide ; et
-c) fabriquer le capteur avec les dimensions déterminées à l'étape a) et la position déterminée à l'étape b) .
[0020] Selon un mode de réalisation, le capteur défini ci- dessus est obtenu selon le procédé défini ci-dessus.
Brève description des dessins [0021] Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
[0022] [Fig. 1] la figure 1 représente, de manière schématique, des vues A et B respectivement de dessus et en coupe, d'un mode de réalisation d'un capteur à guide d'onde ;
[0023] [Fig. 2] la figure 2 représente, de manière schématique, des vues A et B respectivement de dessus et en coupe, d'un autre mode de réalisation d'un capteur à guide d'onde ;
[0024] [Fig. 3] la figure 3 représente, sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un capteur à guide d'onde du type de celui de la figure 1 ou 2 ;
[0025] [Fig. 4] la figure 4 représente des vues en coupe schématiques A et B illustrant un mode de réalisation d'étapes de fabrication d'un capteur à guide d'onde du type de celui de la figure 1 ;
[0026] [Fig. 5] la figure 5 représente des vues en coupe schématiques A et B illustrant un mode de réalisation d'étapes de fabrication d'un capteur à guide d'onde du type de celui de la figure 1 ;
[0027] [Fig. 6] la figure 6 représente des vues en coupe schématiques A et B illustrant un mode de réalisation d'étapes de fabrication d'un capteur à guide d'onde du type de celui de la figure 2 ;
[0028] [Fig. 7] la figure 7 représente des vues en coupe schématiques A, B et C illustrant un mode de réalisation d'étapes de fabrication d'un capteur à guide d'onde du type de celui de la figure 2 ; [0029] [Fig. 8] la figure 8 représente une vue en coupe d'une variante de réalisation d'un capteur du type de celui de la figure 1 ;
[0030] [Fig. 9] la figure 9 représente une vue de dessus schématique d'un autre mode de réalisation d'un capteur à guide d'onde ;
[0031] [Fig. 10] la figure 10 représente des vues schématiques A et B, respectivement en coupe et de dessus, d'une autre variante de réalisation d'un capteur du type de celui des figures 1, 2 et 8 ; et
[0032] [Fig. 11] la figure 11 représente une vue en coupe du capteur de la figure 1, selon une variante de réalisation.
Description des modes de réalisation
[0033] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
[0034] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés.
[0035] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
[0036] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.
[0037] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
[0038] On propose ici un capteur à guide d'onde dans lequel le guide d'onde utilisé pour détecter une molécule ou une particule dans un fluide diélectrique est un guide d'onde hybride. Comme on le verra plus en détail ci-dessous, le guide d'onde hybride est ici un guide d'onde hybride optique/plasmonique comprenant un guide d'onde optique, c'est-à-dire un guide d'onde dont le coeur est destiné à propager un signal optique, un ou deux guides d'onde plasmoniques couplés optiquement avec le guide d'onde optique, et, entre le guide d'onde optique et chaque guide d'onde plasmonique, une cavité séparant les guides d'onde et étant destinée à être remplie du fluide. Plus particulièrement, le guide d'onde optique est un guide d'onde optique diélectrique, c'est-à-dire constitué de matériaux diélectriques. En outre, le guide d'onde optique diélectrique est configuré pour que le mode optique qu'il propage soit un mode rayonné, c'est-à- dire un mode qui n'est pas confiné dans le coeur du guide d'onde optique diélectrique du fait que l'indice optique effectif de ce mode dans le coeur du guide d'onde optique diélectrique est inférieur à l'indice de réfraction du fluide diélectrique qui l'entoure. Ce mode optique rayonne alors jusqu'au guide d'onde plasmonique pour y créer un mode plasmonique de surface délocalisé ou plasmon-polariton, c'est-à-dire des plasmons de surface. Le guide d'onde hybride est configuré pour que le mode optique rayonné du guide d'onde optique diélectrique et le mode plasmonique du ou des guides d'onde plasmoniques se couplent, créant alors un mode optique, ou supermode, guidé et confiné dans le guide d'onde hybride du fait que l'indice optique effectif du supermode optique dans le guide d'onde hybride est supérieur à l'indice de réfraction du fluide diélectrique qui l'entoure.
[0039] Un avantage d'un tel capteur est que les pertes par propagation dans le guide d'onde hybride sont plus faibles que dans un guide d'onde purement plasmonique.
[0040] Un avantage d'un tel capteur est que la surface sensible du capteur, qui correspond à une surface métallique du guide d'onde plasmonique, est simple à fonctionnaliser. En particulier, cette surface métallique peut être fonctionnalisée de manière spécifique, c'est-à-dire que l'on peut choisir sélectivement des molécules de fonctionnalisation qui seront sur cette surface métalliques et/ou éventuellement des molécules de fonctionnalisation qui seront sur un ou des matériaux diélectriques.
[0041] Un avantage d'un tel capteur est que la cavité séparant le guide d'onde optique diélectrique d'un guide d'onde plasmonique a des dimensions supérieures à celles d'une cavité séparant deux guides d'onde optiques couplés par couplage évanescent ("slot waveguides " ) . Ainsi, la taille des molécules ou des particules qui peuvent être détectées à l'aide du capteur proposé ici est supérieure à celle des molécules ou des particules qui peuvent être détectées dans un capteur où la molécule ou la particule devrait se trouver dans une cavité séparant deux guides d'onde optiques diélectriques couplés entre eux par couplage évanescent pour être détectée. [0042] Un avantage d'un tel capteur est qu'il est compact et que sa fabrication est compatible avec les techniques et les étapes utilisées dans la fabrication des circuits intégrés photoniques .
[0043] Un avantage d'un tel capteur est qu'il est plus sensible qu'un capteur ne comprenant que des guides d'onde optiques diélectriques, c'est-à-dire ne comprenant aucun guide d'onde plasmonique.
[0044] Dans la suite de la description, on considère à titre d'exemple le cas d'un capteur à guide d'onde hybride optique/plasmonique dans lequel le signal optique utilisé pour détecter une molécule dans un fluide diélectrique a une longueur d'onde comprise dans le proche infrarouge, c'est-à- dire entre 780 nm et 3 ym, par exemple sensiblement égale à 1,31 ym ou 1,55 ym, de préférence égale ou sensiblement égale à 1,31 ym.
[0045] La figure 1 représente, de manière schématique, des vues A et B respectivement de dessus et en coupe, d'un mode de réalisation d'un capteur à guide d'onde hybride optique/plasmonique, la vue B étant une vue en coupe selon le plan BB de la vue A.
[0046] Le capteur comprend un guide d'onde optique diélectrique 100 et deux guides d'onde plasmoniques 102 et 103 identiques. Les guides d'onde 100, 102 et 103 forment le guide d'onde hybride optique/plasmonique du capteur. Les guides d'onde 100, 102 et 103 reposent sur une couche diélectrique de support 106, par exemple en oxyde de silicium. Dans l'exemple de la figure 1, la couche 106 repose sur et en contact avec un substrat 108, par exemple en silicium.
[0047] Les guides d'onde 100, 102 et 103 sont parallèles dans le sens de leur longueur. Plus particulièrement, une première face latérale 1002 du guide d'onde 100, ici parallèle à la direction longitudinale du guide d'onde 100, est en vis-à-vis et parallèle à une face 1021 du guide d'onde 102 (en haut en vue A et à droite en vue B) . L'autre face latérale 1003 du guide d'onde 100, également parallèle à la direction longitudinale du guide d'onde 100, est en vis-à-vis et parallèle à une face 1031 du guide d'onde 103 (en bas en vue A et à gauche en vue B) . Les faces 1021 et 1031 correspondent aux surfaces des guides d'ondes 102 et 103 où seront localisés les modes plasmoniques .
[0048] Une cavité, ou tranchée, 110 s'étend en largeur depuis le guide d'onde 100 jusqu'au guide d'onde 102, et plus particulièrement depuis la face 1002 jusqu'à la face 1021. Une cavité, ou tranchée, 112 s'étend en largeur depuis le guide d'onde 100 jusqu'au guide d'onde 103, et plus particulièrement depuis la face 1003 jusqu'à la face 1031. Les cavités 110 et 112 ont des dimensions sensiblement identiques, de préférence identiques. De préférence, le fond des cavités 110 et 112 est au même niveau que la face supérieure de la couche de support 106, ou, autrement dit, des portions de la face supérieure de la couche 106 constituent les fonds des cavités 110 et 112.
[0049] Le guide d'onde optique 100 comprend un ruban 1001 en un matériau diélectrique, par exemple du nitrure de silicium, ou semiconducteur, par exemple du silicium. De préférence, la face inférieure du ruban 1001 repose sur et en contact avec la face supérieure de la couche 106. Le ruban 1001 a par exemple une section transversale rectangulaire. Les faces latérales du ruban 1001 parallèles à la direction longitudinale du ruban 1001, c'est-à-dire les faces latérales longitudinales du ruban 1001, correspondent aux faces respectives 1002 et 1003.
[0050] Le guide d'onde 102, respectivement 103, comprend une couche métallique 114, ou, plus exactement, une portion de la couche 114. De préférence, la couche métallique 114 repose sur et en contact avec la face supérieure de la couche 106. L'épaisseur de la couche 114 est ici mesurée dans une direction orthogonale à la face supérieure de la couche 106. Dans ce mode de réalisation, les faces 1021 et 1031 correspondent à des faces latérales de la couche 114. De préférence, l'épaisseur de la couche 114 est égale à la hauteur du guide d'onde 100, c'est-à-dire à la hauteur du ruban 1001 dans cet exemple, la hauteur du guide d'onde 100 étant ici mesurée dans une direction orthogonale à la face supérieure de la couche 106. A titre d'exemple, la couche 114 est une couche d'or, de titane, de tantale, de cuivre, d'argent, d'aluminium, de tungstène ou d'un alliage de plusieurs de ces métaux. De préférence, la couche 114 est en or, notamment du fait du caractère biocompatible de l'or.
[0051] En variante, la couche 114 peut être en un matériau comprenant un ou plusieurs métaux, par exemple un ou plusieurs des métaux énumérés ci-dessus à titre d'exemple, ce matériau, par exemple du nitrure de titane ou du nitrure de tantale, ayant un comportement métallique.
[0052] En fonctionnement, le capteur est mis en présence du fluide diélectrique dans lequel on cherche à détecter la présence d'une molécule ou d'une particule donnée, voire à déterminer une concentration de cette molécule ou de cette particule dans le fluide. Le fluide diélectrique (non représenté en figure 1) remplit alors les cavités 110 et 112. De préférence, le fluide recouvre le capteur, et plus particulièrement les guides d'onde 100, 102 et 103, c'est-à- dire que le fluide recouvre également la face supérieure de la couche 114 et la face supérieure du ruban 1001.
[0053] Un signal optique à la longueur d'onde de fonctionnement du guide d'onde hybride est alors fourni au guide d'onde 100, par exemple à une extrémité du guide d'onde 100 ou le long d'une portion du guide d'onde 100, par exemple par couplage évanescent, ou couplage en champ proche. Les dimensions de la section transversale du guide d'onde 100 sont choisies pour qu'un mode optique du signal se propageant dans le guide d'onde 100 corresponde à un mode optique rayonné du guide d'onde 100, et, plus particulièrement, un mode optique rayonnant majoritairement par les faces 1002 et 1003 du guide d'onde 100. La largeur de la cavité 110, respectivement 112, est choisie de sorte que le mode optique rayonné atteigne la face 1021 du guide d'onde 102, respectivement la face 1031 du guide d'onde 103, pour y générer des plasmons-polaritons . Le couplage du mode plasmonique avec le mode optique rayonné résulte en un supermode optique qui se propage, de manière confinée, dans le guide d'onde hybride. De préférence, dans un plan orthogonal à la direction longitudinale du guide d'onde 100, la puissance du supermode est majoritairement comprise dans les cavités 110 et 112.
[0054] A titre d'exemple, la largeur des cavités 110 et 112 est telle que, dans un plan orthogonal à la direction longitudinale du guide d'onde 100, la puissance du mode optique rayonné hors du guide d'onde 100 et mesurée au niveau de la face 1021 ou 1031, est supérieure ou égale à 1 %, de préférence à supérieure ou égale à 10 %, de la puissance optique totale de ce mode dans le plan considéré. A titre d'exemple, la largeur des cavités 110 et 112 est inférieure à la longueur d'onde de fonctionnement du capteur.
[0055] Lorsqu'une molécule ou une particule à détecter est présente dans l'une des cavités 110 ou 112, cela entraîne un changement de l'indice optique effectif du supermode. En observant une ou plusieurs grandeurs représentatives de la propagation du supermode dans le guide d'onde hybride, on détecte quand la propagation du supermode dans le guide d'onde hybride change, donc quand au moins une molécule ou une particule à détecter est présente dans l'une des cavités 102 et 103. Lorsque la grandeur observée varie de manière proportionnelle ou sensiblement proportionnelle, de préférence linéairement, avec la concentration en molécules ou en particules à détecter dans le fluide, on peut en outre déterminer la concentration de la molécule à détecter dans le fluide. Plus généralement, lorsque l'on connaît la relation entre la variation d'indice optique effectif du supermode dans le guide d'onde hybride et la concentration de la molécule ou de la particule à détecter dans le fluide diélectrique, par exemple suite à une étape d'étalonnage du capteur, on peut déterminer, par exemple en observant une variation de la puissance optique du supermode lors de sa propagation dans le guide d'onde hybride, la concentration de cette molécule ou particule dans le fluide diélectrique.
[0056] La figure 2 représente, de manière schématique, des vues A et B respectivement de dessus et en coupe, d'un autre mode de réalisation d'un capteur à guide d'onde, la vue B étant une vue en coupe selon le plan BB de la vue A.
[0057] Le capteur de la figure 2 diffère du capteur de la figure 1 par la structure des guides d'onde plasmoniques 102 et 103 qu'il comprend. En effet, dans le capteur de la figure 1, les guides d'onde 102 et 103 comprennent une couche métallique 114 épaisse et les faces 1021 et 1031 des guides respectifs 102 et 103 sont des faces latérales de la couche 114. Dans le capteur de la figure 2, les guides d'onde 102 et 103 comprennent une couche métallique mince 116 recouvrant des faces latérales 1182 et 1183 d'une couche 118, voire, comme c'est le cas dans l'exemple de la figure 2, la face supérieure de la couche 118. La couche 118 est par exemple une couche diélectrique ou métallique. Les faces 1182 et 1183 de la couche 118 sont parallèles et en vis-à-vis des faces respectives 1002 et 1003 du guide d'onde 100. Ainsi, la portion verticale de la couche 116 disposée sur et en contact de la face 1182, respectivement 1183, de la couche 118 comprend une face 1021, respectivement 1031, parallèle et en vis-à-vis de la face 1002, respectivement 1003. L'épaisseur des portions verticales de la couche 116 en vis-à-vis des faces 1002 et 1003 du guide d'onde 100, ici mesurée dans une direction orthogonale aux faces 1002 et 1003, est par exemple supérieure ou égale, de préférence supérieure, à l'épaisseur de peau, à la longueur d'onde de fonctionnement du capteur, du matériau constitutif de la couche 116.
[0058] La couche 116 est par exemple en le même matériau que la couche 114 décrite en relation avec la figure 2.
[0059] Le fonctionnement du capteur de la figure 2 est identique à celui du capteur de la figure 2.
[0060] Comme la couche 116 du capteur de la figure 2 est moins épaisse que la couche 114 du capteur de la figure 1, le capteur de la figure 2 est moins coûteux à fabriquer que le capteur de la figure 1 lorsque le matériau constitutif de ces couches est un matériau coûteux comme l'or.
[0061] La figure 3 représente, sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un capteur à guide d'onde du type de celui de la figure 1 ou 2.
[0062] A une étape 3000 (bloc "neffi OPTICAL WAVEGUIDE" ) , les dimensions du guide d'onde 100, et plus particulièrement les dimensions de la section transversale du ruban 1001 du guide d'onde 100, sont déterminées. Pour cela, le comportement d'un dispositif fictif correspondant au capteur de la figure 1 ou 2 dans lequel les guides d'onde plasmoniques 102 et 103 sont supprimés est simulé. Autrement dit, ce dispositif fictif correspond au capteur de la figure 1 dans lequel la couche 114 est omise, ou au capteur de la figure 2 dans lequel les couches 116 et 118 sont omises. On considère en outre que le fluide diélectrique recouvre le dispositif fictif, jusqu'à un niveau au moins égal, de préférence supérieur, au niveau de la face supérieure du guide d'onde 100, c'est-à-dire de la face supérieure du ruban 1001. L'indice optique effectif neffi d'un mode optique donné destiné à être le mode rayonné du guide d'onde 100 est alors calculé, notamment à partir de l'indice de réfraction du fluide, de l'indice de réfraction du matériau de la couche 106, de l'indice de réfraction du matériau du ruban 1001 et des dimensions de la section transversale du guide d'onde 100, donc du ruban 1001. Ce calcul de l'indice neffi est effectué en modifiant les dimensions de la section transversale. Des dimensions de la section transversale du guide d'onde 100 correspondant à un indice neffi calculé inférieur à 1 ' indice de réfraction du fluide diélectrique sont alors sélectionnées. Pour les dimensions sélectionnées, le mode optique considéré est alors un mode rayonné du guide d'onde 100, dans le fluide diélectrique .
[0063] A titre d'exemple, l'étape 3000 consiste à déterminer, pour le mode optique d'intérêt, la section transversale minimale du ruban 1001 pour laquelle ce mode optique est confiné, c'est-à-dire que l'indice neffi de ce mode est supérieur à l'indice de réfraction du fluide et à l'indice de réfraction du matériau de la couche 106. Au moins l'une des dimensions (hauteur, largeur) de cette section transversale minimale, de préférence une seule dimension, et encore plus préférentiellement, la largeur mesurée dans une direction orthogonale aux faces 1002 et 1003, est alors réduite, par exemple de moins de 10 %, de préférence de moins de 5 % . Ainsi, pour cette section transversale de dimension réduite, l'indice neffi du mode optique considéré est inférieur à l'indice de réfraction du fluide diélectrique, d'où il résulte que ce mode optique est un mode rayonné du guide d'onde 100.
[0064] A une étape 3002 (bloc "neff2 HYBRID WAVEGUIDE" ) suivante, l'indice optique effectif neff2 du mode optique considéré à l'étape 3000 est calculé pour le guide d'onde hybride du capteur de la figure 1 ou 2, en simulant le comportement de ce capteur. A cette étape, les dimensions de la section transversale du guide d'onde 100 sont celles déterminées à l'étape 3000 pour que le mode optique soit un mode rayonné du guide d'onde 100. En outre, à cette étape 3002, on considère que le fluide recouvre le capteur de la même façon qu'à l'étape 3000. Le calcul de l'indice neff2 est effectué pour plusieurs positions des guides d'onde plasmoniques 102 et 103 par rapport au guide d'onde optique 100, c'est-à-dire pour plusieurs largeurs des cavités 110 et 112. Une largeur des cavités 110 et 112 est alors sélectionnée de sorte que l'indice neff2 du mode considéré, pour cette largeur, soit supérieur à l'indice de réfraction du fluide et du matériau de la couche 106. Autrement dit, pour la largeur sélectionnée, le mode optique considéré rayonne du guide d'onde optique 100 jusqu'aux faces 1021 et 1031 des guides d'onde plasmoniques 102 et 103 où il se transforme en supermode guidé dans le guide d'onde hybride. De préférence, la largeur sélectionnée est en outre déterminée par la taille d'une molécule ou d'une particule à détecter, de sorte que cette molécule ou cette particule puisse se loger dans une cavité 110 ou 112, et/ou par la répartition, dans un plan orthogonal à la direction longitudinale du guide d'onde 100, de la puissance optique du mode optique, de sorte que la majorité de la puissance optique du mode soit dans les cavités 110 et 112.
[0065] En fonction des contraintes (taille de la molécule ou de la particule à détecter, distribution de la puissance du supermode dans le guide d'onde hybride, etc.) visées à l'étape 3002, plusieurs itérations de l'étape 3000 puis de l'étape 3002 peuvent être mises en oeuvre pour parvenir à une configuration (dimensions de la section transversale du guide d'onde optique, largeur de la cavité, etc.) du guide d'onde hybride satisfaisant ces contraintes.
[0066] A une étape 3004 (bloc "MAKE WAVEGUIDE") suivante, un capteur dans lequel la section transversale du guide d'onde 100 a les dimensions déterminées à l'étape 3000 et dans lequel la largeur des cavités 110 et 112 est celle déterminée à l'étape 3002, est fabriqué.
[0067] De préférence, le calcul, pour des dimensions et des matériaux donnés, des indices effectifs aux étapes respectives 3000 et 3002 est mis en oeuvre par ordinateur, par exemple au moyen d'outils (logiciels ou programmes) appelés solveurs de modes. Ces outils peuvent être des outils développés par l'homme du métier mettant en oeuvre le procédé de la figure 3. Ces outils peuvent également être des outils commerciaux disponibles à la vente, par exemple l'outil désigné par l'appellation commerciale FimmWave . Ces outils permettent la mise en oeuvre la simulation du dispositif de l'étape 3000 et la simulation du capteur de l'étape 3002.
[0068] A titre d'exemple, on considère un capteur du type de celui de la figure 1 ou 2 dans lequel la couche 114 ou 116 est en or, la couche 106 est en oxyde de silicium, le fluide destiné à remplir les cavités est de l'eau et le matériau du ruban 1001 est du nitrure de silicium. Dans cet exemple de capteur, on considère en outre que le mode optique propagé par le guide d'onde 100 est le mode fondamental transverse électrique (TE) d'un signal ayant une longueur d'onde égale à 1,31 ym. Dans cet exemple de capteur, la mise en oeuvre des étapes 3000 et 3002 conduit à un capteur ayant les dimensions suivantes : - entre 300 et 350 nm, de préférence égale à 300 nm pour la largeur de la section transversale du ruban 1001 ;
- entre 550 et 650 nm, de préférence égale à 600 nm pour la hauteur de la section transversale du ruban 1001 ; et
- entre 30 et 1000 nm, par exemple égale à 600 nm pour la largeur des cavités 110 et 112, les cavités 110 et 112 s'étendant en profondeur depuis un niveau égal au niveau de la face supérieure du ruban 1001, jusqu'à un niveau égal au niveau de la face supérieure de la couche 106.
[0069] Plusieurs modes de mise en oeuvre de l'étape 3004 vont maintenant être décrits en relation avec les figures 4, 5, 6 et 7. On notera que les matériaux constitutifs des guides d'onde 100, 102 et 103, ainsi que de la couche 106 utilisés lors de la fabrication du capteur, sont ceux utilisés lors du calcul des indices neffi et neff2, aux étapes respectives 3000 et 3002.
[0070] La figure 4 représente des vues en coupe schématiques A et B illustrant un mode de mise en oeuvre de l'étape 3004 du procédé de la figure 3, pour un capteur à guide d'onde du type de celui de la figure 1.
[0071] A l'étape illustrée par la vue A de la figure 4, le guide d'onde 100 a été formé sur la face supérieure de la couche 106. A titre d'exemple, le guide d'onde 100 est formé en déposant une couche en le matériau du ruban 1001 dont l'épaisseur correspond à la hauteur du ruban 1001, en formant un masque recouvrant une portion de la couche correspondant ruban 1001, en retirant par gravure les parties de la couche non revêtue du masque de manière à laisser en place le ruban 1001, et en retirant le masque.
[0072] A l'étape illustrée par la vue A de la figure 4, un masque 4000, de préférence en résine, a ensuite été déposé de manière à recouvrir le ruban 1001 et à s'étendre latéralement depuis les faces 1002 et 1003 du ruban jusqu'à l'emplacement des futures faces 1021 et 1031 des guides d'onde 102 et 103. Le masque 4000 est déposé de manière conforme, sur une épaisseur supérieure à l'épaisseur de la future couche 114.
[0073] A une étape suivante illustrée par la vue B de la figure 4, la couche 114 est déposée sur toute la structure obtenue à l'étape illustrée par la vue A, de manière anisotrope ou non-conforme, de sorte que le masque 4000 comprenne une partie exposée, c'est-à-dire non revêtue de la couche 114.
[0074] A une étape suivante non illustrée, le masque 4000 est retiré, emportant avec lui la portion de la couche 114 qui repose sur le masque, de sorte que les portions de la couche 114 laissées en place forment les guides d'onde 102 et 103 et définissent les cavités 110 et 112. Ce procédé est couramment appelé procédé de soulèvement ("lift off" en anglais) . On obtient alors un capteur du type de celui de la figure 1.
[0075] La figure 5 représente des vues en coupe schématiques A et B illustrant un autre mode de mise en oeuvre de l'étape 3004 du procédé de la figure 3, pour un capteur à guide d'onde du type de celui de la figure 1.
[0076] A une étape illustrée par la vue A de la figure 5, le guide d'onde 100 a été formé sur la face supérieure de la couche 106, par exemple de la manière décrite en relation avec la vue A de la figure 4. La couche 114 a ensuite été déposée de manière conforme, avec l'épaisseur désirée. Un masque de gravure 5000 a alors été formé sur les portions de la couche 114 destinées à constituer les guides d'onde 102 et 103.
[0077] A une étape suivante illustrée par la vue B de la figure 5, les portions de la couche 114 non revêtues du masque 5000 ont été retirées par gravure anisotrope jusqu'à la couche 106. Les portions de la couche 114 laissées en place forment alors les guides d'onde 102 et 103 et définissent les cavités 110 et 112.
[0078] A une étape suivante non illustrée, le masque 5000 est retiré. On obtient alors un capteur du type de celui de la figure 1.
[0079] La figure 6 représente des vues en coupe schématiques A et B illustrant un mode de mise en oeuvre de l'étape 3004 du procédé de la figure 3, pour un capteur à guide d'onde du type de celui de la figure 2.
[0080] A une étape illustrée par la vue A de la figure 6, le guide d'onde 100 a été formé sur la couche 106, par exemple de la façon décrite en relation avec la figure 4. La couche 118 a également été formée, de sorte que la couche 118 comprenne les faces latérales 1182 et 1183 parallèles et en vis-à-vis des faces latérales respectives 1002 et 1003 du ruban 1001.
[0081] Selon un premier exemple, la couche 118 est formée par dépôt conforme puis en enlevant par gravure la portion de la couche 118 disposée entre les faces 1182 et 1183.
[0082] Selon un autre exemple, la couche 118 et le guide d'onde 100 sont en le même matériau et sont formés simultanément. Par exemple une couche de ce matériau est déposée de manière conforme sur toute la surface supérieure de la couche 106, avec une épaisseur correspondant à la hauteur du ruban 1001, puis les portions de la couche disposées aux emplacements des cavités 110 et 112 et des portions verticales de la couche 116 sont retirées lors d'étapes de masquage et de gravure.
[0083] Une fois le ruban 1001 et la couche 118 formés, la couche 116 est déposée avec l'épaisseur voulue, de manière conforme, sur toute la structure. [0084] A une étape suivante illustrée par la vue B de la figure 6, un masque 6000 recouvrant les portions verticales de la couche 116 disposées sur les faces 1182 et 1183 de la couche 118, et éventuellement des portions horizontales de la couche 116 reposant sur la face supérieure de la couche 118 et/ou sur la face supérieure de la couche 106, du côté des faces 1183 et 1182. Les portions exposées de la couche 116 ont ensuite été retirées par gravure, par exemple par gravure isotrope de manière à éviter que des portions de la couche 116 ne soient laissées en place sur le fond des cavités 110 et 112.
[0085] A une étape suivante non illustrée, le masque 6000 est retiré et l'on obtient un capteur du type de celui de la figure 2.
[0086] La figure 7 représente des vues en coupe schématiques A, B et C illustrant un autre mode de mise en oeuvre de l'étape 3004 du procédé de la figure 3, pour un capteur à guide d'onde du type de celui de la figure 2.
[0087] A une étape illustrée par la vue A de la figure 7, le guide d'onde 100 a été formé sur la couche 106, par exemple de la façon décrite en relation avec la figure 4. Une couche 7000 en un matériau gravable sélectivement par rapport au matériau du ruban 1001, par exemple une couche 7000 d'oxyde de silicium quand le ruban 1001 est en nitrure de silicium, a ensuite été déposée sur toute la structure. L'épaisseur de la couche 7000 est supérieure ou égale, de préférence supérieure, à la hauteur du ruban 1001, de sorte que le niveau de la face supérieure de la couche 7000 est au-dessus du niveau de la face supérieure du ruban 1001. De préférence, la couche 7000 est formée pour que sa face supérieure soit sensiblement plane, par exemple en prévoyant une étape de polissage ou planarisation mécano-chimique (CMP) après que la couche 7000 ait été déposée de manière conforme. La couche 7000 a ensuite été gravée jusqu'à la couche 106, en laissant en place une portion de la couche 7000 recouvrant le ruban 1001 et s'étendant latéralement de part et d'autre du ruban 1001, jusqu'aux emplacements futurs des faces 1021 et 1031 respectivement .
[0088] A une étape suivante illustrée par la vue B de la figure 7, la couche 116 a été déposée sur toute la structure obtenue après les étapes décrites en relation avec la vue A de la figure 7, de préférence de manière conforme avec l'épaisseur désirée. Une couche 118, par exemple d'oxyde de silicium, a ensuite été déposée de sorte que sa face supérieure soit sensiblement plane et à un niveau égal au niveau supérieur de la couche 7000. A titre d'exemple, la couche 118 est formée par dépôt de silsesquioxane d'hydrogène (HSQ de l'anglais Hydrogen SilesQuixane) . Une étape de planarisation, par exemple par CMP, est ensuite effectuée jusqu'à un niveau supérieur ou égal à celui de la face supérieure du ruban 1001, de manière à retirer les portions horizontales de la couche 118 reposant sur la couche 7000. Les portions verticales laissées en place de la couche 116 recouvrent les faces verticales 1182 et 1183 de la couche 118.
[0089] A une étape suivante illustrée par la vue C de la figure 7, un masque 7002 a été formé sur la structure obtenue après la mise en oeuvre des étapes décrites en relation avec la vue B de la figure 7. Une ouverture 7004 est prévue dans le masque 7002, en regard des portions de la couche 7000 (non présente en vue C, voir la vue B) s'étendant latéralement depuis la face 1002, respectivement 1003, du ruban 1001 jusqu'à la face 1021, respectivement 1031, de la couche 116, et de l'éventuelle portion de la couche 7000 reposant sur la face supérieure du ruban 1001. En particulier, Le masque 7002 recouvre le sommet des portions verticales de la couche 116 qui recouvrent les faces 1182 et 1183 de la couche 118. De préférence, le masque 7002 déborde sur les portions de la couche 7000 s'étendant latéralement depuis la face 1002, respectivement 1103, du ruban 1001 jusqu'à la face 1021, respectivement 1031, de la couche 116.
[0090] Les portions de la couche 7000 non entièrement revêtue du masque 7002 sont ensuite retirées par gravure. L'espace laissé libre par le retrait de ces portions de la couche 7000 forme les cavités 110 et 112.
[0091] A une étape suivante non illustrée, le masque 7002 est retiré. On obtient alors un capteur du type de celui de la figure 2.
[0092] La figure 8 représente une vue en coupe d'une variante de réalisation d'un capteur du type de celui de la figure 1.
[0093] Dans cette variante de réalisation, le guide d'onde hybride du capteur ne comprend qu'un seul guide plasmonique, ici le guide plasmonique 103. Autrement dit, le guide plasmonique 102 a été omis. Dans cet exemple, le guide d'onde plasmonique 103 restant est du type de celui décrit en relation avec la figure 1 (couche 114 épaisse) . Cette variante de réalisation s'applique aussi au cas où le guide d'onde plasmonique restant est du type de celui décrit en relation avec la figure 2 (couche 112 épaisse) .
[0094] L'homme du métier est en mesure d'adapter les procédés décrits en relation avec les figures 3 à 8 à cette variante de réalisation. En particulier, l'homme du métier est en mesure de déterminer la largeur de la cavité séparant le guide d'onde 100 du guide d'onde plasmonique 102 ou 103 restant, par exemple en mettant en oeuvre l'étape 3002 du procédé de la figure 3 avec un capteur dont le guide d'onde hybride ne comprend qu'un guide d'onde plasmonique 102 ou 103.
[0095] La figure 9 représente une vue de dessus schématique un autre mode de réalisation d'un capteur à guide d'onde. [0096] Le capteur comprend un premier guide d'onde hybride 9000 dont une première portion 9000A (délimitée par des pointillés en figure 9) comprend un guide d'onde 100 couplé à deux guides d'onde plasmoniques 102 et 103 comme cela a été décrit en relation avec la figure 1 ou 2, et dont une deuxième portion 9000B (délimitée par des pointillés en figure 9) comprend le guide d'onde 100 couplé au seul guide d'onde 103, comme cela a été décrit en relation avec la figure 8. Le ruban 1001 du guide d'onde 9000 forme ici une boucle, par exemple de forme circulaire en vue de dessus, de manière à constituer un anneau résonnant.
[0097] Le capteur comprend en outre un deuxième guide d'onde, ici un guide d'onde hybride 9002, par exemple rectiligne. Le guide d'onde 9002 comprend une portion 9002A (délimitée par des pointillés en figure 9) comportant un guide d'onde 100 couplé à un seul guide d'onde plasmonique 103, comme cela a été décrit en relation avec la figure 8. Le guide d'onde 9002 comprend en outre une portion 9002B disposée en amont de la portion 9002A et une portion 9002C disposée en aval de la portion 9002A, c'est-à-dire respectivement à droite et à gauche de la portion 9002A dans l'exemple de la figure 9 où le signal optique est fourni à l'extrémité du guide 9002, qui est à droite en figure 9.
[0098] Le guide d'onde 100 de la portion 9002A du guide hybride 9002 est couplé optiquement avec le guide d'onde 100 de la portion 9000B du guide hybride 9000, ici par couplage évanescent .
[0099] En variante, le guide d'onde 9002 peut être un guide d'onde optique, par exemple un guide d'onde à ruban similaire au guide d'onde 100 mais dans lequel le mode optique d'intérêt est propagé de manière confinée, ou, dit autrement, de manière guidée. Une portion de ce guide optique est alors couplée au guide d'onde 100 de la portion 9000B du guide hybride 9000. [0100] En fonctionnement, un fluide diélectrique comprenant éventuellement une molécule ou une particule à détecter recouvre le capteur. Un signal optique adapté est fourni au guide d'onde 100 de la portion 9002B du guide hybride 9002. Le guide d'onde 9000 est configuré pour résonner à la longueur d'onde du signal optique.
[0101] En l'absence de molécule ou de particule à détecter dans les cavités 110 et 112 (non référencées en figure 9) du guide d'onde hybride 9000, il y a résonnance et la puissance optique du signal disponible à l'extrémité de la portion 9002C opposée à la portion 9002A est sensiblement nulle.
[0102] A l'inverse, quand une ou plusieurs molécules ou particules à détecter se logent dans les cavités 110 et 112 du guide hybride 9000, cela modifie l'indice optique effectif du mode optique propagé dans le guide hybride 9000. Il en résulte que le guide d'onde 9000 ne résonne plus à la longueur d'onde du signal optique. Cela est détecté par le fait que la puissance optique du signal disponible à l'extrémité de la portion 9002C opposée à la portion 9002A est non nulle. Plus particulièrement, cette puissance augmente lorsque la longueur d'onde de résonnance du guide d'onde 9000 s'éloigne de la longueur d'onde du signal optique. Comme cela a été décrit précédemment en relation avec la figure 1, lorsque l'on connaît la relation entre la variation de la puissance disponible à l'extrémité de la portion 9002C opposée à la portion 9002A et la concentration de la molécule ou de la particule à détecter dans le fluide diélectrique, par exemple suite à une étape d'étalonnage du capteur, on peut déterminer, à partir d'une mesure de cette puissance, la concentration de cette molécule ou particule dans le fluide diélectrique. De préférence, on se place dans une plage de fonctionnement du capteur où la puissance optique du signal disponible à l'extrémité de la portion 9002C opposée à la portion 9002A varie linéairement avec la variation de l'indice optique effectif du mode optique propagé dans le capteur.
[0103] A titre d'exemple, dans un capteur du type de celui de la figure 9, les inventeurs ont mesuré qu'une variation d'une unité de l'indice optique (ou indice de réfraction) du fluide diélectrique (liquide ou gaz) dans lequel on cherche à détecter une particule ou une molécule, entraîne un décalage de 698 nm de la longueur d'onde de résonnance du guide d'onde 9000.
[0104] Les guides d'onde hybrides du capteur de la figure 9 peuvent être du type de l'un quelconque des guides d'onde hybrides décrits en relation avec les figures 1 à 8.
[0105] Par ailleurs, bien que l'on ait décrit ici un capteur utilisant la résonnance d'un guide d'onde hybride annulaire pour détecter une molécule, l'homme du métier est en mesure de prévoir d'autres modes de réalisation de capteurs. Par exemple, l'homme du métier est en mesure de concevoir un capteur utilisant le principe de fonctionnement d'un interféromètre de Mach-Zehnder, par exemple un interféromètre dans lequel les deux branches de 1 ' interféromètre sont réalisées à partir d'un guide d'onde hybride tel que décrit précédemment .
[0106] On a décrit jusqu'ici un guide d'onde hybride comprenant un guide d'onde optique diélectrique et un ou deux guides d'onde plasmoniques . Un supermode optique peut être guidé dans des guides d'onde hybrides d'autres types.
[0107] Dans une variante de réalisation d'un capteur à guide d'onde hybride, on prévoit un guide d'onde hybride constitué d'un guide d'onde optique 100 tel que décrit précédemment, couplé à un ou deux guides d'onde surfaciques 102, 103 autres que plasmoniques. Autrement dit, on prévoit que les surfaces 1021 et 1031 ne soient pas des surfaces métalliques mais des surfaces configurées pour qu'un mode guidé de surface, ou mode guidé surfacique, autre qu'un mode plasmonique s'y propage. On appelle ici mode surfacique un mode qui est guidé uniquement à l'interface entre deux matériaux, correspondant ici aux surfaces 1021 et 1031, la puissance de ce mode de chaque côté de l'interface décroissant de manière exponentielle. Ainsi, de manière similaire à ce qui a été décrit précédemment, un mode optique rayonné du guide optique 100 qui atteint la surface 1021 ou 1031 entraîne qu'un mode guidé surfacique se crée, c'est-à-dire est excité, et se propage sur cette surface. Le couplage entre le mode rayonné et le mode guidé surfacique résulte alors en un supermode. Les dimensions d'un tel guide d'onde hybride sont déterminées en adaptant le procédé de la figure 3 de sorte que le supermode soit guidé dans le guide d'onde hybride.
[0108] Un tel guide d'onde hybride optique/surfacique bénéficie des mêmes avantages qu'un guide d'onde hybride optique/plasmonique, exception faite des avantages liés à la présence d'une surface métallique dans le guide d'onde hybride
[0109] La figure 10 représente des vues schématiques A et B, respectivement en coupe et de dessus, d'une telle variante de réalisation d'un capteur du type de celui des figures 1, 2 et
8.
[0110] Dans cette variante de réalisation, le ou les guides d'onde 102, 103 couplés au guide d'onde 100 pour former un guide d'onde hybride du capteur ne sont pas des guides d'onde plasmoniques mais ont un comportement plasmonique. Autrement dit, bien que les surfaces 1021 et 1031 ne soient pas métalliques, des modes surfaciques peuvent y être guidés. Dans cet exemple, les guides d'onde 102 et 103 sont réalisés à partir d'une structure de type réseau de Bragg dont une face constitue la face 1021, respectivement 1031, des guides d'onde respectifs 102 et 103. [0111] Plus particulièrement, chaque guide d'onde 103 et 102 comprend ici, dans une direction orthogonale aux faces 1021 et 1031, une alternance de couches 10001 et 10002, par exemple respectivement en silicium et en nitrure de silicium. A titre d'exemple, l'épaisseur des couches 10001 est comprise entre 300 et 600 nm, de préférence égale à l/ (4. ni) avec ni l'indice de réfraction du matériau des couches 10001 et l la longueur d'onde du signal optique fourni au guide d'onde optique 100. L'épaisseur des couches 10002 est par exemple comprise entre 300 et 600 nm de préférence égale à l/ (4.n2) avec n2 l'indice de réfraction du matériau des couches 10002.
[0112] Plus généralement, l'homme du métier est en mesure de déterminer les matériaux des couches 10001 et 10002 et/ou les épaisseurs de ces couches, de sorte qu'un mode guidé surfacique puisse être propagé par les faces 1021 et 1031 des guides d'onde 102 et 103.
[0113] La variante de réalisation décrite en relation avec la figure 8 s'applique au guide d'onde hybride du capteur de la figure 10.
[0114] L'homme du métier est en mesure d'adapter le procédé décrit en relation avec la figure 3 au cas d'un guide d'onde hybride tel que décrit en relation avec la figure 10, comprenant un ou deux guides d'onde 102, 103 à réseau de Bragg
[0115] En outre, le guide d'onde hybride de la figure 10 comprenant un seul ou les deux guides d'onde surfaciques 102 et 103 à réseau de Bragg, peut être utilisé pour mettre en oeuvre le capteur décrit en relation avec la figure 9.
[0116] La figure 11 représente une vue en coupe du capteur de la figure 1, selon une variante de réalisation. En figure 11, un fluide diélectrique 11001, par exemple de l'eau, recouvre le capteur, le fluide comprenant des molécules ou des particules 11002 à détecter. [0117] Dans cette variante, la surface du ruban 1001 destinée à être en contact avec le fluide 11001, c'est-à-dire la surface du ruban 1001 qui est en contact avec le fluide 11001 en figure 11, a été fonctionnalisée par des molécules 11004 dont une extrémité se lie au matériau du ruban 1001, et dont l'autre extrémité est configurée pour se lier avec une molécule ou une particule 11002. Cela permet d'augmenter la probabilité qu'une molécule ou une particule 11002 présente dans le fluide 11001 soit détectée par le capteur.
[0118] Dans cette variante, de manière optionnelle, la surface de la couche métallique 114 est également être fonctionnalisée comme cela est représenté en figure 11. Plus particulièrement, dans cet exemple, la surface de la couche 114 destinée à être en contact avec le fluide 11001, c'est- à-dire la surface de la couche 114 qui est en contact avec le fluide 11001 en figure 11, est fonctionnalisée par des molécules 11006 dont une extrémité se lie au matériau de la couche 114, et dont l'autre extrémité est configurée pour repousser les molécules ou les particules 11002. Cela empêche que des molécules ou des particules 11002 à détecter se lient ou viennent se déposer sur la couche 114. Cela augmente la probabilité qu'une molécule ou une particule 11002 vienne plutôt se déposer au voisinage du ruban 1001, et donc la probabilité que cette molécule ou cette particule soit détectée par le capteur.
[0119] Dans une variante non illustrée, on peut prévoir que seule la couche 114 soit fonctionnalisée.
[0120] En outre, l'homme de l'art est en mesure de fonctionnaliser la surface du ruban 1001, et/ou la surface de la couche 116 d'un capteur du type de celui de la figure 2. L'homme du métier est également en mesure de prévoir une telle fonctionnalisation dans un capteur du type de celui de la figure 9. [0121] Bien que cela n'ait pas été indiqué ci-dessus, la taille des particules, par exemple des microparticules ou des nanoparticules, ou des molécules que l'on souhaite détecter avec les guides d'onde hybrides et les capteurs décrits est par exemple inférieure à 5 ym, par exemple comprise entre 0,1 ym et 2 ym, étant entendu que la taille d'une particule ou d'une molécule désigne ici sa plus grande dimension.
[0122] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L'homme de l'art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaitront à l'homme de l'art. En particulier, bien que l'on ait décrit ici des modes de réalisation dans lesquels le fluide diélectrique est un liquide, ce fluide peut être un gaz. A titre d'exemple, le liquide diélectrique est de l'eau ou une solution tampon de phosphate salin (PBS de l'anglais "phosphate buffered saline") . A titre d'exemple, le gaz diélectrique est l'air ambiant, dans lequel on cherche par exemple à détecter des microparticules comme du benzène ou des hydrocarbures. Bien entendu, la présente description ne se limite pas à ces exemples de fluides diélectriques.
[0123] Par ailleurs, l'homme du métier est mesure d'adapter les dimensions et/ou les matériaux des guides d'onde hybrides décrits précédemment en fonction de la longueur d'onde du signal optique fourni au guide hybride, c'est-à-dire en fonction de la longueur d'onde de fonctionnement du capteur correspondant, et/ou en fonction du mode optique considéré.
[0124] Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci- dessus. En particulier, l'homme du métier est mesure de prévoir des variantes de réalisation de l'étape 3004 décrite en relation avec les figures 3 à 7.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur comprenant un guide d'onde hybride comportant, sur une couche de support diélectrique (106) :
-un premier guide d'onde optique diélectrique (100) reposant sur et en contact avec la couche de support ; -pour une ou chaque face latérale longitudinale (1002, 1003) du premier guide d'onde, un deuxième guide d'onde surfacique (102, 103) couplé optiquement au premier guide d'onde, parallèle au premier guide d'onde, reposant sur la couche de support, et comprenant une surface (1021, 1031) configurée pour guider un mode surfacique ; et
-une cavité (110, 112) destinée à être remplie d'un fluide diélectrique (11001), séparant latéralement le premier guide d'onde de ladite surface du ou de chaque deuxième guide d'onde.
2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel ledit deuxième guide d'onde est un guide d'onde plasmonique, ladite surface du deuxième guide d'onde étant métallique et étant configurée pour propager des plasmons de surface.
3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le guide d'onde hybride est configuré pour guider un mode optique d'un signal optique lorsque ledit fluide (11001) remplit ladite cavité (110, 112), et recouvre éventuellement le premier guide d'onde et le ou les deuxièmes guides d'onde.
4. Capteur selon la revendication 3, dans lequel l'indice optique effectif (neff2) dudit mode dans le guide d'onde hybride est supérieur à l'indice de réfraction du fluide (11001) et à l'indice optique effectif (neffi) dudit mode dans le premier guide d'onde seul.
5. Capteur selon la revendication 3 ou 4, dans lequel ledit mode est un mode rayonné du premier guide d'onde (100), de préférence majoritairement à partir des faces latérales longitudinales (1002, 1003) du premier guide d'onde.
6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le premier guide d'onde (100) comprend un ruban (1001) diélectrique ou semiconducteur dont une face inférieure repose sur et en contact avec une face supérieure de ladite couche de support (106) et dont des faces latérales longitudinales constituent lesdites faces latérales longitudinales (1002, 1003) du premier guide d ' onde (100) .
7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel une dimension de ladite cavité (110, 112) entre ladite face latérale longitudinale (1002, 1003) du premier guide d'onde (100) et ladite surface (1021, 1031) du deuxième guide d'onde (102, 103) est inférieure à une longueur d'onde de fonctionnement du capteur.
8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel une dimension de ladite cavité (110, 112) entre ladite face latérale longitudinale (1002, 1003) du premier guide d'onde (100) et ladite surface (1021, 1031) du deuxième guide d'onde (102, 103) est déterminée par simulation .
9. Capteur selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la cavité
(110, 112) s'étend en largeur depuis ladite face latérale longitudinale (1002, 1003) du premier guide d'onde (100) jusqu'à ladite surface (1021, 1031) du deuxième guide d'onde (102, 103), ladite surface du deuxième guide d'onde étant parallèle à ladite face latérale longitudinale.
10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un guide d'onde annulaire résonnant (9000) constitué en tout ou partie du guide d'onde hybride.
11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un interféromètre de type Mach-Zehnder constitué en tout ou partie du guide d'onde hybride.
12. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à
11, dans lequel des faces du premier guide d'onde destinées à être en contact avec ledit fluide et/ou des faces du deuxième guide d'onde destinée à être en contact avec ledit fluide sont fonctionnalisées en fonction d'une molécule ou d'une particule à détecter dans ledit fluide.
13. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à
12, adapté à détecter, dans ledit fluide, une molécule ou une particule de taille allant jusqu'à 5 ym.
14. Procédé de fabrication d'un capteur comprenant un guide d'onde hybride comportant, sur une couche de support diélectrique (106) :
-un premier guide d'onde optique diélectrique (100) reposant sur et en contact avec la couche de support ; -pour une ou chaque face latérale longitudinale (1002, 1003) du premier guide d'onde, un deuxième guide d'onde surfacique (102, 103) couplé optiquement au premier guide d'onde, parallèle au premier guide d'onde, reposant sur la couche de support, et comprenant une surface (1021, 1031) configurée pour guider un mode surfacique ; et
-une cavité (110, 112) destinée à être remplie d'un fluide diélectrique (11001), séparant latéralement le premier guide d'onde de ladite surface du ou de chaque deuxième guide d'onde, le procédé comprenant les étapes successives suivantes :
-a) déterminer (3000), par simulation d'un dispositif dépourvu de deuxième guide d'onde (102, 103) et comprenant le premier guide d'onde (100) reposant sur la couche de support (106) et étant entouré dudit fluide, des dimensions d'une section transverse du premier guide d'onde telles que, pour un mode optique d'un signal se propageant dans le premier guide d'onde, l'indice optique effectif (neffi) dudit mode est inférieur à 1 ' indice de réfraction dudit fluide ;
-b) déterminer (3002), par simulation du capteur dans lequel la section transverse du premier guide d'onde a les dimensions déterminées à l'étape a), une position du ou de chaque deuxième guide d'onde (102, 103) par rapport au premier guide d'onde (100) de sorte que l'indice optique effectif (neff2) dudit mode dans le guide d'onde hybride soit supérieur à l'indice de réfraction du fluide ; et -c) fabriquer le capteur avec les dimensions déterminées à l'étape a) et la position déterminée à l'étape b) .
15. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à
13, obtenu selon le procédé de la revendication 14.
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