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Adaptateur de mode optiaue pourvu de deux canaux distincts
La présente invention concerne un adaptateur de mode optique
présentant deux canaux distincts.
Le domaine de l'invention est celui de l'optique intégrée, domaine dans
lequel un objectif est de réaliser une pluralité de modules sur un même
substrat.
Un élément essentiel de ces dispositifs est le guide d'onde qui achemine
l'énergie lumineuse entre les différents modules.
Une préoccupation constante étant de limiter au maximum
l'encombrement d'un dispositif intégré, le guide d'onde présente des
dimensions
1 o aussi petites que possibles et supporte par conséquent un mode de
propagation
réduit. Par ailleurs, il convient de connecter ce dispositif à un quelconque
équipement externe, ce qui se fait généralement au moyen d'une fibre optique.
Or la fibre optique est un guide d'onde qui supporte un mode de propagation
étendu dont l'extension spatiale est bien supérieure à celle du mode réduit
adopté dans le dispositif intégré.
II s'avère que la connexion entre deux guides de géométries différentes
induit des pertes optiques conséquentes.
La présente invention a ainsi pour objet un adaptateur de mode optique
présentant des pertes limitées.
2 o Selon l'invention, l'adaptateur comporte un premier et un second canal
sur un substrat optique pour le raccordement d'un premier et d'un second guide
d'onde respectivement à sa première et à sa seconde extrémité, ces deux
canaux étant recouverts par au moins une couche guidante et l'indice de
réfraction du premier canal est inférieur à celui du second canal.
Ainsi, l'indice est adapté aux caractéristiques géométriques souhaitées
des modes de propagation distincts dans les deux canaux.
Souvent, la largeur du premier canal est un peu supérieure à celle du
second canal.
De préférence, l'adaptateur comporte une cellule d'adaptation dans
laquelle les deux canaux sont en contact, la première respectivement la
seconde
extrémité de cette cellule étant disposée à proximité de la première
respectivement la seconde extrémité de l'adaptateur, la largeur du premier
canal
décroissant de la première à la seconde extrémité de la cellule d'adaptation.
De
plus, si possible, la largeur du premier canal est nulle à la seconde
extrémité de
cette cellule d'adaptation.
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De même, la largeur du second canal décroît de la seconde à la
première extrémité de la cellule d'adaptation, devenant éventuellement nulle à
la
première extrémité de cette cellule d'adaptation.
Eventuellement, la seconde extrémité de la cellule d'adaptation coïncide
avec la seconde extrémité de l'adaptateur.
En outre, l'indice de réfraction de la couche guidante est supérieur à
celui du substrat.
Avantageusement, l'adaptateur comporte au moins une couche de
recouvrement disposée sur la couche guidante, l'indice de cette couche de
1 o recouvrement étant inférieur à celui de la couche guidante et à celui des
canaux.
Selon un premier mode de réalisation de l'adaptateur, l'un au moins de
ces canaux est intégré dans le substrat.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'adaptateur, l'un au moins de
ces canaux fait saillie sur le substrat.
D'autre part, l'indice de la couche guidante vaut celui du substrat
multiplié pàr un facteur supérieur à 1,001.
Généralement, l'épaisseur de l'ensemble des couches guidantes est
comprise entre 1 et 20 microns.
L'invention vise également une première méthode de fabrication d'un
2 o adaptateur qui comprend les étapes suivantes
- réalisation d'un masque sur le substrat pour dëfinir le motif de l'un au
moins
de ces canaux,
- implantation ionique du substrat masqué,
- retrait du masque,
- dépôt de la couche guidante sur le substrat.
Une deuxième méthode comprend les étapes suivantes
- implantation ionique du substrat,
- réalisation d'un masque sur le substrat pour définir le motif de l'un au
moins
de ces canaux,
- gravure du substrat sur une profondeur au moins égale à la profondeur
d'implantation,
- retrait du masque,
- dépôt de la couche guidante sur le substrat.
De préférence, ces deux premières méthodes comprennent une étape
de recuit du substrat qui fait suite à l'étape d'implantation ionique.
Une troisième méthode comprend les étapes suivantes
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réalisation d'un masque sur le substrat comportant des ions mobiles pour
définir le motif de l'un au moins des canaux,
- immersion du substrat masqué dans un bain comportant des ions
polarisables,
- retrait du masque,
- dépôt de la couche guidante sur le substrat.
Une quatrième méthode comprend les étapes suivantes
- dépôt d'une première couche d'indice de réfraction supérieur à celui du
substrat,
- réalisation d'un premier masque sur ce substrat pour définir le premier
canal,
- gravure du substrat,
- retrait de ce premier masque,
- dépôt d'une deuxième couche,
- réalisation d'un deuxième masque sur ce substrat pour définir le second
canal,
- gravure du substrat,
- retrait du deuxième masque,
- dépôt de la couche guidante sur le substrat.
Ces méthodes sont d'autre part adaptées à la réalisation des différentes
2 o caractéristiques de l'adaptateur mentionnées ci-dessus.
La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le
cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre
illustratif
en se référant aux figures annexées qui représentent
- la figure 1, un schéma de la structure de base d'un adaptateur vu de dessus,
- la figure 2, un schéma d'un adaptateur perfectionné vu de dessus,
- la figure 3, un schéma en coupe d'un adaptateur,
- la figure 4, la fabrication d'un adaptateur selon une première variante,
- la figure 5, la fabrication d'un adaptateur selon une deuxième variante, et
- la figure 6, une vue en coupe d'un adaptateur réalisé en couches minces.
3 o Les éléments présents dans plusieurs figures sont affectés d'une seule
et même référence.
En référence à la figure 1, dans sa structure de base, l'adaptateur 1
délimité par une première 11 et une seconde 12 extrémités comporte une cellule
d'adaptation 2 présentant une première 21 et une seconde 22 extrémités
disposées en regard des extrémités correspondantes de l'adaptateur 1.
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Eventuellement, la seconde extrémité 22 de la cellule d'adaptation se
confond avec la seconde extrémité 12 de l'adaptateur.
Un premier canal C1 de forme rectangulaire s'étend selon un axe
longitudinal de la première extrémité 11 de l'adaptateur à la seconde
extrémité
22 de la cellule d'adaptation. Un second canal C2, de largeur inférieure à
celle
du premier canal C1, également de forme rectangulaire, s'étend selon le même
axe longitudinal de la seconde extrémité 12 de l'adaptateur à la première
extrémité 21 de la cellule d'adaptation. La partie du deuxième canal C2 qui
figure dans la cellule d'adaptation 2 empiète sur le premier canal C1,
1 o déterminant une section de couplage S.
L'indice de réfraction du premier canal C1 est inférieur à celui du second
canal C2.
La largeur du second canal C2, qui est ici inférieure à celle du premier
canal C1, pourrait éventuellement lui être égale, voire lui être lëgèrement
supérieure.
Bien que la cellule d'adaptation 2 ne soit pas indispensable, elle permet
de réduire sensiblement les pertes de couplage entre les deux canaux.
En référence à la figure 2, la structure de cette cellule peut être
optimisée et pour l'expliciter on définit un repère d'alignement 23 qui prend
la
2 o forme d'une droite perpendiculaire à l'axe de l'adaptateur et disposée
entre les
deux extrémités 21, 22 de la cellule d'adaptation.
La largeur du contour extérieur du premier canal C1 décroît de la
première extrémité 21 de cette cellule jusqu'au repère d'alignement 23. La
décroissance est ici linéaire mais elle pourrait être parabolique,
exponentielle,
ou de toute autre nature. Cette largeur est ensuite sensiblement constante
entre
le repère d'alignement 23 et la seconde extrémité 22 de la cellule
d'adaptation,
excédant légèrement la largeur du second canal C2 en dehors de cette cellule.
La largeur résiduelle du premier canal C1 qui vaut la largeur de son contour
extérieur diminuée de la largeur du second canal C2 peut même s 'annuler.
La largeur du second canal C2 est sensiblement constante entre la
seconde extrémité 22 de la cellule d'adaptation et le repère d'alignement 23.
Elle
décroït ensuite jusqu'à la première extrémité 21 de la cellule d'adaptation,
pouvant même s'annuler à cet endroit.
Naturellement, la cellule d'adaptation 2 peut prendre une forme
quelconque, le point important étant que les deux canaux C1, C2 soient en
contact ou en quasi-contact sur l'une au moins de leurs faces. Ainsi, ces
canaux
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qui sont imbriqués sur les figures 1 et 2 pourraient alternativement être
juxtaposés, superposés ou bien se chevaucher suivant au moins une face
commune.
Selon un mode de réalisation privilégié, l'adaptateur est réalisé en
5 recourant à la technique de l'implantation ionique.
En référence à la figure 3a, le substrat est en silice ou bien il est en
silicium sur lequel, soit on a fait croître un oxyde thermique, soit on a
déposé
une couche de dioxyde de silicium ou d'un autre matériau. II présente ainsi
une
face supérieure ou substrat optique 31, couramment en dioxyde de silicium,
1o d'une épaisseur de 5 à 20 microns, par exemple. Le premier canal C1 réalisé
par implantation ionique est ici intégré dans le substrat optique qui est lui-
même
recouvert d'une couche guidante 33. L'indice de réfraction du canal est
naturellement plus élevé que celui du dioxyde de silicium. La couche guidante
de 5 microns d'épaisseur, par exemple, est en dioxyde de silicium dopé et
présente un indice de réfraction supérieur à celui du substrat optique, de
0,3%
par exemple. Elle peut éventuellement résulter d'un empilement de couches
minces. De préférence, une couche de recouvrement 34 qui peut également
consister en un empilement de couches minces est prévue sur la couche
guidante 33. Cette couche de recouvrement, de 5 microns d'épaisseur
2o également, a un indice infërieur à celui de la couche guidante et à celui
du
canal ; dans le cas présent elle est en dioxyde de silicium non dopé.
En référence à la figure 4a, une première méthode de fabrication de
l'adaptateur comporte une première étape qui consiste à réaliser un premier
masque 42 sur le substrat optique 31, ceci au moyen d'un procédé classique de
photolithographie. Ce masque 42 est en résine, en métal ou en tout autre
matériau susceptible de constituer une barrière infranchissable pour les ions
lors
de l'implantation. Eventuellement, le masque peut être obtenu par un procédé
d'écriture directe. II reproduit un motif M qui correspond à la réunion des
deux
canaux C 1, C2.
En référence à la figure 4b, le motif M est produit par implantation
ionique du substrat masqué. A titre d'exemple, pour une implantation de
titane,
la dose d'implantation D1 souhaitée pour le premier canal C1 est comprise
entre
10~6/cm2 et 10~$/cm2 tandis que l'énergie est comprise entre quelques dizaines
et quelques centaines de KeV.
En référence à la figure 4c, le premier masque est retiré, par exemple au
moyen d'un procédé de gravure chimique.
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L'étape suivante consiste à réaliser un deuxième masque sur le substrat
optique 31 qui reproduit la forme du second canal C2. Ce second canal est
produit par implantation ionique du substrat masqué à une dose (D2 - D1 )
comprise entre 10~6/cm2 et 10~$/cm2, si bien qu'il présente une dose
d'implantation résultante D2. Puis là encore, le masque est retiré.
La précision de positionnement du deuxième masque par rapport au
premier masque étant nécessairement limitée, la largeur du premier canal C1
entre le repère d'alignement 23 et la seconde extrémité 22 de la cellule
d'adaptation excède légèrement la largeur du second canal C2 en dehors de
1 o cette cellule. De plus, la largeur du second canal C2 au niveau de la
première
extrémité 21 de la cellule d'adaptation n'est pas tout à fait nulle car il est
pratiquement impossible de réaliser une pointe parfaite sur un masque.
Le substrat est ensuite soumis à un recuit pour réduire les pertes à la
propagation au sein des deux canaux. A titre d'exemple, Ia température est
comprise entre 400 et 500°C, l'atmosphère est contrôlée ou bien il
s'agit de l'air
libre, tandis que la durée est de l'ordre de quelques dizaines d'heures.
En référence à la figure 4d, la couche guidante 33 est alors déposée sur
le substrat 31 au moyen de l'une quelconque des techniques connues pourvu
que celle-ci conduise à un matériau à faibles pertes dont l'indice de
réfraction
2 o peut être aisëment contrôlé. Enfin, la couche de recouvrement 34 est
éventuellement déposée sur la couche guidante 18.
En référence à la figure 3b, l'indice de réfraction du premier canal C1 est
relativement faible, 1,56 par exemple, si bien que le mode de propagation
étendu GM s'étend largement dans la couche guidante 33. La largeur de ce
canal, 7,5 microns par exemple, et l'épaisseur de cette couche guidante sont
choisies de sorte que le mode de propagation GM soit aussi voisin que possible
de celui des fibres optiques monomodes. On peut alors obtenir un coefficient
de
couplage aux fibres d'une valeur de 90%. L'indice effectif du mode guidé est
inférieur à l'indice de réfraction de la couche guidante et à celui du canal ;
il est
3o supérieur à l'indice de réfraction de la face supërieure 31 et à celui de
la couche
de recouvrement 34.
En référence à la figure 3c, le second canal C2 supporte un mode de
propagation réduit PM, proche de celui que l'on rencontre sur les guides
implantés sans couche guidante. II convient alors que l'indice du canal soit
relativement élevé, 1,90 par exemple. La largeur de ce canal peut être
sensiblement réduite. L'indice effectif du mode guidé est ici supérieur à
celui de
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la couche guidante et inférieur à celui du canal. Le confinement latéral du
mode
réduit PM est très important.
On rappellera que l'implantation ionique se fait maintenant avec une très
grande précision sur les doses d'ions implantés, typiquement 1 %. Le substrat
optique en dioxyde de silicium a un indice de réfraction qui ne présente pas
ou
peu de variations, il s'ensuit que l'on, peut obtenir une très grande
précision sur
l'indice des canaux. A titre d'exemple, pour une dose implantée de titane de
10~6/cm2 respectivement 10~7/cm2, la précision sur l'indice de réfraction
atteint
10~ respectivement 10-3. Cette précision est particulièrement importante
lorsque l'on recherche le mode de propagation étendu GM car l'indice du
premier canai est un paramètre qui affecte de manière très sensible le
couplage
aux fibres optiques.
En référence à la figure 5a, une deuxième méthode de fabrication de
l'adaptateur comporte une première étape qui consiste à implanter la totalité
du
substrat optique 31. La dose D1 et l'énergie d'implantation correspondent à
celles prévues pour le premier canal C1.
L'étape suivante consiste à réaliser un masque identique au deuxième
masque de la méthode ci-dessus sur le substrat optique 31. Ce second canal est
alors implanté à la dose (D2 - D1 ) et le masque est retiré.
2o En référence à la figure 5b, la prochaine ëtape consiste à réaliser un
nouveau masque 51 sur le substrat 31. Ce masque définit un motif
complémentaire de celui du premier masque employé au cours de la première
méthode mais il ne doit pas subir l'étape d'implantation.
En référence à la figure 5c, le motif 25 est obtenu par gravure du
substrat optique sur une profondeur au moins égale à la profondeur
d'implantation. L'une quelconque des techniques connues de gravure convient
pourvu que celle-ci conduise à des caractéristiques géométriques acceptables,
notamment le profil et l'état de surface des flancs.
On remarque ici que la première méthode présente l'avantage de définir
3 o un guide d'onde dont la structure est parfaitement plane puisqu'elle ne
comprend
pas d'étape de gravure.
En référence à la figure 5d, le masque est retiré puis ie substrat est ici
aussi soumis à un recuit. La couche guidante 33 et éventuellement la couche de
recouvrement 34 sont alors déposées conformément à la première méthode.
Selon une variante de cette deuxième méthode, une première étape
consiste à implanter la totalité du substrat optique 31 à une dose (D2 -D1).
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L'étape suivante consiste à réaliser un masque définissant le second canal C2
puis à graver le substrat pour délimiter ce second canal. Le substrat est
alors
implanté à la dose D1 et la prochaine étape consiste à réaliser Je masque qui
définit un motif complémentaire de celui du premier masque employé au cours
de la première méthode. Le substrat est ensuite gravé, et la couche guidante
est
déposée.
Une troisième méthode met en oeuvre la technologie d'échange d'ions.
Dans ce cas, le substrat est un verre contenant des ions mobiles à température
relativement basse, un verre de silicates contenant de l'oxyde de sodium par
1 o exemple. Le substrat est là aussi pourvu d'un masque et, par rapport à la
première méthode, l'étape d'implantation est remplacée par une ëtape
d'immersion dans un bain contenant des ions polarisables tel que argent ou
potassium. Le motif est ainsi réalisé par augmentation de l'indice de
réfraction
consécutive à l'échange des ions polarisables avec les ions mobiles du
substrat.
Puis, généralement, le canal est enterré par application d'un champ ëlectrique
perpendiculaire à la face du substrat.
Cette troisième méthode présente une grande simplicité. Cependant, elle
impose la sélection d'un substrat particulier qui n'a pas nécessairement
toutes
les caractéristiques souhaitées. De plus, du fait d'une diffusion latérale
2 o importante des ions, la résolution spatiale est limitée.
Une quatrième méthode met en oeuvre la technologie des couches
minces. Généralement, la face supérieure du substrat est en dioxyde de
silicium.
Une première couche 61 d'indice supérieur à celui du dioxyde de silicium est
déposée sur le substrat optique au moyen d'une quelconque technique connue
telle que dépôt par hydrolyse à fa flamme (« Flame Hydrolysis Deposition » en
terminologie anglo-saxonne) dépôt chimique en phase vapeur haute ou basse
pression et assisté ou non par plasma, évaporation sous vide, pulvérisation
cathodique ou dépôt par centrifugation. Cette couche est souvent du dioxyde de
silicium dopé, de l'oxy-nitrure de silicium, du nitrure de silicium et l'on
peut aussi
3 o employer des polymères ou des sols-gels. Un masque dëfinissant le premier
canal C1 y compris la section de couplage S est alors appliqué sur fa couche
déposée 61. Ensuite, ce canal est réalisé par un procédé de gravure chimique
ou de gravure sèche tel que gravure plasma, gravure ionique réactive ou
gravure par faisceau d'ions.
Le masque est retiré après la gravure et, une deuxième couche 62 est
déposée. Un autre masque définissant le second canal C2 est ensuite appliqué
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sur la deuxième couche 62 avant une nouvelle étape de gravure. La couche
guidante 33 est alors déposée sur les deux canaux.
On est ici aussi confronté à la difficulté de superposer deux masques
avec une grande précision.
Selon une variante, pour éviter la marche qui se produit au
chevauchement des deux canaux, ie, masque utilisé pour graver la première
couche 61 défrnit le premier canal C1 sans la section de couplage S.
Cette méthode requiert une opération de gravure qu'il est difficile de
maïtriser tant sur le plan de la résolution spatiale que sur l'ëtat de surface
des
1 o flancs du canal, caractéristiques qui conditionnent directement les pertes
à la
propagation de l'adaptateur. .
Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été
choisis pour leur caractère concret. II ne serait cependant pas possible de
répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre
cette invention. En particulier, toute étape ou tout moyen décrit peut-être
remplacé par une étape ou un moyen équivalent sans sortir du cadre de fa
présente invention.
