Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02435456 2003-07-18
WO 02/061474 PCT/FR02/00343
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STRUCTURE EN OPTIQUE INTEGREE COMPORTANT DANS UN
SUBSTRAT AU MOINS UNE PORTION DE GUIDE NON ENTERRES
AINSI QUE SON PROCEDE DE RÉALISATION
Domaine technique
La présente invention concerne une structure en
optique intégrée comportant dans un substrat au moins
une portion de guide non enterrée ainsi que son procédé
de réalisation.
Elle s'applique à de nombreux composants
réalisés en optique intégrée tels que nôtamment des
amplificateurs optiques, des multiplexeurs optiques,
des diviseurs optiques, des coupleurs optiques......, et,
de façon générale à tout composant utilisant au moins
une portion de guide optique non enterrée.
État de la technique
Un guide optique se compose d'une partie
centrale appelée généralement co?ur et de milieux
environnants situés tout autour du cour et qui peuvent
être identiques entre eux ou différents.
Pour permettre le confinement de la lumière dans
le cour, l'indice de réfraction du milieu composant le
cour doit être différent et dans la plupart des cas
supérieure à ceux des milieux environnants.
Pour simplifier la description on assimilera le
guide à sa partie centrale. Par ailleurs, on appellera
tout ou partie des milieux environnants, substrat,
étant bien entendu que lorsque le guide est pas ou peu
enterré, un des milieux environnants peut être
extérieur au substrat et être par exemple de l'air.
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Suivant le type de technique utilisé, le
substrat peut être monocouche ou multicouches.
En outre, suivant les applications, un guide
optique dans un substrat peut être plus ou moins
enterré dans ce substrat et en particulier comporter
des portions de guide enterrées à des profondeurs
variables.
Ainsi par exemple dans certaines applications,
les guides optiques d'une structure en optique
intégrée, réalisés dans un substrat notamment par la
technologie d'échange d'ions, doivent être en entrée et
en sortie de la structure connectés à des fibres
optiques. De ce fait, les guides d'onde au moins en
entrée et en sortie doivent présenter un mode de
propagation de la lumière proche respectivement de
celui de la fïbre qui doit lui être associée. Or ce
mode de propagation est souvent, relativement peu
confiné .
Un faible confinement ne permet pas, par
ailleurs, de réaliser des guides optiques courbes, avec
des rayons de courbure typiquement inférieurs à 20 mm,
ce quï peut être pénalisant sur le plan de
l'encombrement du composant.
Pour obtenïr de faibles rayons de oourbure, il
faut donc augmenter le confinement latéral des guides.
Pour concilier ces contraintes, il est connu de
réaliser des guides présentant .
- d'une part des portions de guides au moins en entrée
et en sortie à faible confinement, ces portions ont
une largeur adaptée à celle des fibres et sont donc
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enterrées dans la technologie de réalisation de
guides par échange d'ions,
- et d'autre part des portions de guides à fort
confinement adapté à la réalisation de faible rayon
de courbure et qui sont donc dans cette technologie
au voisinage de la surface du substrat.
Les guides situés au voisinage de la surface
sont mal protégés de l'environnement et présentent des
pertes optiques qui peuvent être élevées et qui peuvent
évoluer dans le temps à cause de pollution sur la
surface du substrat.
Par ailleurs, l'utilisation d'une couche de
protection sur le substrat pour protëger la structure
de l'environnement induirait des contraintes mécaniques
sur celle-cï (à cause en particulier de problèmes de
coefficients de dilatation thermique différents) et
nuire à sa fonctionnalité. Ces contraintes pourraient
notamment créer des effets de biréfringence qui sont
préjudiciables pour certaines applications.
Exposé de l'invention et brève description des figures
L'invention concerne une structure en optique
intégrée comportant dans un substrat au moins une
portion de guide non enterrée qui est isolée de
l'environnement par des moyens qui n'induisent pas ou
peu de contraintes mécaniques sur la structure.
On entend dans la présente invention par "non
enterré" un guide situé au voisinage de la surface du
substrat, c'est-à-dire que l'épaisseur de matériau
séparant le cour, de la surface du substrat est soit
nulle, soit insuffisante pour éviter les pertes
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optiques, par exemple par onde êvanescente associée à
un mode de propagation de l'onde lumineuse dans le
guide.
De façon plus précise, l'invention a pour objet
une structure en optique intégrëe comportant dans un
substrat un guide optique présentant au moins une
portion de guide non enterrêe ; elle est caractérisée
en ce qu'elle comprend en outre sur la surface du
substrat au moins un élément de recouvrement au-dessus
de la portion de guide non enterrée apte à isoler dans
ladite portion de guide, une onde lumineuse se
propageant dans celui-ci.
La structure de l'invention comporte plusieurs
portions de guides non enterrées, chaque portion est
associée à un élément de recouvrement.
L'utilisation d'éléments de recouvrement au
moins sur les portions non enterrées des guides permet
d'isoler celles-ci de l'extérieure et d'éviter des
pertes optiques.
Ces éléments de recouvrement permettent donc
d'avoir des structures présentant des guides à fort
confinement puisque ce type de guide ne peut être
enterré et de ce fait permettent d'avoir des guides
courbes et notamment à faibles rayons de courbure.
Par ailleurs, le fait de limiter le recouvrement
par des éléments disposés sur les portions non
enterrées des guides permet par ailleurs de minimiser
l'apparition d'effets parasites tels que des
contraintes mécaniques qui pourraient nuire notamment à
la fonctionnalité de la structure.
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Selon un mode de réalisation, le guide comporte
au moins une portion de guide non enterrée et au moins
une portion de guide enterrée, l'élément de
recouvrement étant situé au-dessus des portions de
5 guide enterrée et non enterrée. Dans ce mode également,
le recouvrement est limité puisqu'il n'est pas réalisé
sur l'ensemble du substrat.
L'élément de recouvrement présente une épaisseur
Wp au moins égale à l'épaisseur minimum Wm nécessaire
pour qu'une onde évanescente associée à l'onde
lumineuse guidée dans ladite portion ne puisse sortir
de la structure.
L'élément de recouvrement est mono ou
multicouches ; le ou les indices de réfraction sont
tels qu'une onde évanescente associée à l'onde
lumineuse guidée dans ladite portion ne puisse sortir
de 1a structure. De façon plus précise, les indices de
réfraction sont respectivement inférieurs au plus petit
des indices effectifs des modes de propagation pouvant
être guidés dans ladite portion non enterrée et de
préférence inférieurs à l'indice de réfraction maximum
du substrat.
L'élément de recouvrement est choisi par exemple
parmi de la silice, ou un verre d'indice approprié.
L'élément de recouvrement présente une largeur
Lp telle qu'une onde évanescente associée à l'onde
lumineuse guidée dans ladite portion ne puisse sortir
de la structure. De façon plus précise, elle est
supérieure ou égale à la largeur du mode de propagation
le plus large des modes pouvant se propager dans ladite
portion de guide non enterrée.
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La largeur Lp peut être soit constante soit
variable. Notamment, lorsque des éléments de
recouvrement recouvrent aussi bien les portions
enterrées et non enterrées du guide, alors la largeur
de ces éléments peut suivre 1a largeur des modes guidës
dans les portions de guide correspondantes ou être
supérieure à la largeur du mode dans le guide le moins
confiné .
L'invention a également pour objet un procédé de
réalisation d'une structure en optique intégrée
comportant dans un substrat un guide optique présentant
au moins une portion de guide non enterrée et sur la
surface du substrat au moins un élément de recouvrement
au-dessus de la portion de guide non enterrée ; ce
procédé comportant les étapes suivantes .
A) réalisation dans un substrat d'au moïns un guide
d'onde avec au moins une portion de guide non
enterrée,
B) formation au-dessus de la portion non enterrêe de
l'élément de recouvrement
L'étape B) comporte le dépôt sur le substrat
d'une couche de recouvrement puïs la réalisation sur
cette couche, d'un masque protégeant la ou les portions
de guide à recouvrir, la gravure de la couche de
recouvrement à travers le masque de façon à obtenir le
ou les éléments de recouvrement.
Le masque est généralement enlevé mais il peut
bien entendu être conservé dans certains cas.
Selon un mode de réalisation, le dépôt de la
couche de recouvrement est réalisé par pulvérisation
cathodique ou évaporation sous vide.
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Selon un exemple de réalisation, l'étape A)
comporte la formation dans un substrat de verre d'un
guide d'onde par échange ionique, la rediffusion
localisée de ce guide de façon à enterrer au moins une
portion de guide, la portion de guide non enterrée
étant à plus fort confinement que la portion enterrée .
Cette rediffusion peut être obtenue
classiquement par un masquage métallique et application
d'un champ électrique de part et d'autre de la portion
à enterrer.
Cette rediffusion dans le substrat est réalisée
de façon à assurer la fonctionnalité désirëe du
composant dans la ou les portions considérées. Par
exemple, elle est mise en ouvre pour optimiser le
couplage avec des fibres optiques d'entrée et\ou de
sortie.
Les caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront mieux à la lumière la description qui va
suivre. Cette description porte sur des exemples de
réalisation, donnés à titre explicatif et non
limitatif. Elle se réfère par ailleurs à des dessins
annexés sur lesquels .
- les figures la, lb, 1c représentent de façon
schématique, différentes étapes d'un mode de
réalisation d'une structure de l'invention,
- la figure 2 représente de façon schématique et
en perspective, une première variante de la structure
de l'invention .
- la figure 3 représente de façon schématique et
en perspective, une seconde variante de la structure de
l'invention.
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Exposé détaillé de modes de réalisation
La figure la représente de façon schématique une
première étape de réalisation d'une structure en
optique intégrée selon l'invention.
Dans un substrat par exemple en verre, on
réalise à travers un masque (non représenté) par la
technique connue d'échange d'ions un guide d'onde. Le
guide d'onde 1 représenté sur cette figure est non
enterré, il est parallèle au plan défini par la surface
du substrat et comprend des parties droites la et des
parties courbes 1b.
Pour permettre la réalisation de guide à faibles
rayons de courbure et obtenir notamment des composants
à faible encombrement, ce guide d'onde non enterré,
présente de préférence un confinement important.
Après réalisation de ce guide, le procêdé de
l'invention consiste à faire diffuser localement sous
champ électrique des portions du guide afin d'enterrer
celles-ci.
Un exemple de réalisation d'enterrage partiel
d'un guide est illustré notamment dans le brevet
US-5 708 750.
La figure lb représente la structure à l'issu de
cette opération. Le masque (non représenté) utilïsé
pour réaliser la diffusion est de préférence éliminé à
la fin de cette opération. Il peut être cependant dans
certain cas de figures, enlevé ultérieurement ou même
conservé au-dessus des guides pour faire partie des
éléments de recouvrement.
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Sur la figure lb, on voit donc des zones 2e de
la structure comportant les portions de guides droits
la qui sont enterrées dans le substrat et une zone Zne
de la structure comportant la portion de guide non
enterrée, cette portion comportant les guides courbes
1b.
Entre les portions de guides enterrées et non
enterrées, il existe des zones de transition Zt ; la
partie de ces zones dans laquelle l'épaisseur de
matëriau séparant le cour du guide, de la surface du
substrat est soit nulle, soit insuffïsante pour éviter
les pertes optiques, est considérée faisant partie de
la portion de guide non enterrée ; et la partie de ces
zones dans laquelle ladite épaisseur est suffisante
pour éviter les pertes optiques est considérée comme
enterrée.
Dans cet exemple de réalisation, on a représenté
une seule portion de guide non enterrée, mais bien
entendu on aurait pu avoir un guide avec plusieurs
portions de guide non-enterrées séparant par exemple
respectivement deux parties de guïdes courbes.
La figure 1c illustre la réalisation d'une
couche de recouvrement 3 sur la structure.
Cette couche est mono ou multicouches et par
exemple en silice ou en verre d'indice de réfraction
adapté comme on l'a vu précédemment pour qu'une onde
évanescente associée à l'onde lumineuse guidée dans
ladite portion ne puisse sortir de la structure ; cette
couche est déposée par pulvérisation cathodique ou
évaporation sous vide.
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Par ailleurs, l'épaisseur Wp de cette couche est
choisie de façon que l'onde évanescente associée au
mode guidé dans la portion non enterrée ne puisse voir
le milieu situé au-dessus de la couche.
5 Cette épaisseur sera comprise généralement,
typiquement entre 0,3 et 5 ~,m.
Après réalisation de la couche de recouvrement,
le ou les éléments de recouvrement sont alors réalïsés.
Plusieurs modes de mise en ouvre sont envisageables.
10 Selon un premier mode représenté sur la figure
2, la couche de recouvrement 3 est gravée de façon à ne
laisser subsister qu'un élément de recouvrement 5 situé
au-dessus de l'ensemble du guide aussi bien dans sa
portion non enterrée que dans sa portion enterrée. La
largeur Lp de l'élément de recouvrement doit être
supérieure ou égale à une largeur minimum déterminée
pour que l'onde évanescente associée au mode guidé dans
la portion non enterrée de la structure ne puisse voir
le milieu situé au-dessus dudit élément. Cette largeur
peut être constante comme représentée ou variable.
Selon un deuxième mode de réalisation représenté
sur la figure 3, la couche de recouvrement 3 est gravée
de façon à ne laisser subsister qu'un élément de
recouvrement 7 situé uniquement au-dessus de la portion
de guide non enterrée.
Les caractéristiques de cet élément sont les
mêmes que pour celui de la figure 2.
Pour graver l'élément de recouvrement aussi bien
dans l'exemple de la figure 2 que celui de la figure 3,
on réalise sur la couche de recouvrement par exemple un
masque de résine que l'on insole et que l'on développe
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selon les techniques classiques de la microélectronique
de façon à obtenir un motif correspondant à l'élément
de recouvrement que l'on veut obtenir. Puis on grave,
la couche de recouvrement à travers ce masque par
exemple par une gravure du type usinage ionique ou
gravure chimique pour une couche en silice. Le masque
est ensuite généralement élïminé à moins qu'il ne gêne
pas la structure.
Selon un autre exemple de réalisation, si le
guide de la structure est complètement non enterré,
alors l'élément de recouvrement est du type de celui
représenté figure 2, c'est-à-dire qu'il est au-dessus
du guide et suit le même cheminement.
