Brevet FR2128497A1 — publié le 19721020

i 2128497 La présente invention concerne un procédé pour la production d'éléments optiques intégrés, et notamment de guides d'ondes optiques. On appelle ici éléments optiques les composants connus en hyperfréquences, tels que guides d'ondes, coupleurs directionnels, coupleurs hybrides, résonateurs. La production de tels composants pour des fréquences optiques présente depuis peu le plus grand intérêt pour les télécommunications modernes et le traitement optique de l'information. Il ressort de la théorie de la propagation d'ondes électromagnétiques dans des guides d'ondes diélectriques que ces derniers ne peuvent avoir que des dimensions très réduites. Les guides d'ondes rectangulaires notamment doivent avoir une'dimension de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique à transmettre. La production d'éléments optiques pour la gamme de fréquence de la lumière visible impose par suite le recours à des procédés aboutissant à des couches minces d'une qualité optique maximale. L'affaiblissement du guide d'ondes est dans ce cas la principale grandeur physique. Elle est déterminée par l'homogénéité de ses propriétés optiques (absorption et dispersion) et géométriques (rugosité des faces limites). Dans des procédés connus pour la production de tels guides d'ondes diélectriques, des matériaux appropriés sont irradiés par des ondes électromagnétiques de hâute énergie, telles que la lumière visible ou ultraviolette. Le matériau doit être disponible sous forme d'une couche suffisamment mince pour obtenir les dimensions requises des guides d'ondes optiques, ce qui entraîne souvent des difficultés. Les deux faces limites de cette couche doivent en outre, comme précédemment indiqué, être d'une qualité optique très élevée. On a constaté qu'il est possible de produire facilement des éléments optiques, et notamment des guides d'ondes diélectriques, en irradiant par une ou plusieurs ondes superficielles une couche d'un matériau sensible au rayonnement, contiguë à la surface. La notion "ondes superficielles" est définie comme suit. Des ondes électromagnétiques homogènes de fréquence C ne peuvent exister dans un milieu isotrope non-absorbant ayant un itidi.ce de réfraction n qu'avec des longueurs d'ondes X, > X = c /n>(c = vitesse de la h n n n lumière dans le milieu considéré). Une onde de même fréquence ^ , mais ayant une longueur d'onde >cg . et une vitesse de phase correspondante cc COPY 72 07149 2 2128497 telles ondes peuvent toutefois Être imposées dans le milieu par des conditions limites déterminées, résultant par exemple d'une réflexion totale sur une face limite. L'amplitude de ces ondes décroît très rapidement quand la distance augmente par rapport à cette face limite sur laquelle 5 l'onde est induite, d'où l'appellation d'"ondes superficielles". On connaît toute une série de matériaux diélectriques dont 1'indice de réfraction varie directement quand ils sont soumis à une irradiation suffisamment intense par des ondes électromagnétiques (matériaux photo-chromiques et photopolymères). Dans le cas d'un autre groupe de matériaux, 10 l'indice de réfraction ne varie d'abord pas dans la couche insolée. Seul un traitement photochimique ou photophysique, simultané ou ultérieur, de la couche insolée produit le résultat. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'indice de réfraction de la couche insolée est modifié par un traitement photochimique ou 15 photophysique effectué pendant ou après l'insolation. La variation de l'indice de réfraction ne s'étend dans chaque cas que sur la partie de la couche correspondant à la profondeur de pénétration des ondes superficielles. Une variation des conditions aux limites permet de faire varier la profondeur de pénétration. Un autre avantage du procédé selon l'in-20 vention réside dans le fait qu'une seule face limite du matériau doit être de qualité élevée. La seconde face limite du guide d'ondes est en effet produite désormais par l'action de l'onde superficielle, dont la régularité détermine sa qualité. Il faut toutefois noter qu'il ne s'agit pas ici d'une interface définie entre deux matériaux à indice de réfrac-25 tion différent, mais d'une couche de jonction très mince, mais finie et présentant un gradient de l'indice de réfraction. Le choix de la longueur d'onde et le traitement chimique ou physique, effectué pendant ou après l'insolation, permettent de faire varier l'épaisseur de la couche de jonction. 30 II y a avantage à produire les ondes superficielles par réflexion totale. Pour ce faire, le matériau, diélectrique est mis en contact avec un milieu optiquement plus dense. Lorsqu'une onde plane, traversant ce milieu plus dense, atteint l'interface sous un angle supérieur à l'angle limite de réflexion totale, l'onde lumineuse pénètre dans le matériau 35 diélectrique, sensible au rayonnement, sous forme d'une onde superfi cielle à très faible profondeur de pénétration. Une variation de l'angle d'incidence permet dans ce cas de faire varier très simplement la pro- 72 07149 3 2128497 fondeur de pénétration. Une description détaillée des propriétés physiques des ondes superficielles se trouve dans l'étude de H. Nassenstein, Natur-wissenschaften, 57, pp. 468-473, 1970. Les figures 5 et 8 de cet article notamment illustrent le noircissement d'une mince couche de matériau 5 photographique, produit par des ondes superficielles. Le blanchiment d'une telle couche convertit la structure de noircissement en une structure de phase. On obtient ainsi une mince couche à indice de réfraction modifié. Selon une autre caractéristique de l'invention, on utilise comme 10 matériau diélectrique sensible au rayonnement une couche photographique normale à halogénure d'argent, dans laquelle une structure de phase est produite de façon connue. Des photopolymères, un photoresist, des photochromes et la gélatine bichromatée conviennent aussi comme matériaux sensibles au rayonnement 15 pour le procédé selon l'invention. La sensibilité relativement faible des derniers matériaux cités impose l'emploi de sources lumineuses à .Intensité élevéem(telles que laser à Ar, laser à Rr ou, pour des effets déclenchés thermiquement, laser au C^). Selon une autre caractéristique de l'invention, une onde homogène 20 est superposée à l'onde superficielle dans une partie du matériau sen sible au rayonnement, de façon à produire une structure interférentielle dans cette partie. La structure de phase ainsi produite se prête à l'emploi comme coupleur pour le couplage d'une onde électromagnétique dans un guide d'ondes optique. Une variante consiste à superposer une 25 seconde onde superficielle à la première dans une partie du matériau sensible au rayonnement, de façon à produire dans cette partie une structure interférentielle due à l'interférence d'ondes superficielles. On obtient de nouveau un élément optique constituant un coupleur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux 30 compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente le schéma de l'onde superficielle dans le cas d'une réflexion totale; la figure 2 représente un dispositif optique pour l'irradiation d'un 35 matériau par ondes superficielles; la figure 3 représente un premier exemple de production de coupleurs optiques et 72 07149 4 2128497 la figure 4 représente un second exemple de production de coupleurs optiques. Sur la figure 1, l'onde plane monochromatique 1, venant de la gauche, tombe sur l'interface séparant le milieu 2 optiquement moins 5 dense, sensible au rayonnement et d'indice de réfraction du milieu 3 plus dense, d'indice de réfraction n^. Une réflexion totale se produit sur l'interface des deux milieux (onde 4 réfléchie totalement) quand l'angle d'incidence 9 de l'onde 1 est supérieur à l'angle limite i lim de réflexion totale. L'onde superficielle 5 apparaît alors dans le milieu 10 le moinds dense, avec une amplitude qui décroît rapidement quand la dis tance Z augmente par rapport à l'interface. Sa "profondeur de pénétration t est généralement de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde dans le milieu le moins dense. L'irradiation par l'onde superficielle fait varier l'indice de réfraction suivant la profondeur de pénétration d, comme 15 l'indique aussi la figure 1. L'indice de réfraction retombe à la valeur initiale n^ au-delà de la profondeur de pénétration. La figure 2 représente un dispositif optique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans la cuvette 6, le matériau 2, sensible au rayonnement et servant à la production des éléments optiques, est dis-20 posé sur un support 7. La cuvette 6 est entièrement remplie d'iodure de méthylène, qui a un indice de réfraction très élevé (n^ = 1,74 à X * 633 nm) et sert de liquide de contact. L'onde monochromatique plane 1, venant de la gauche à travers la paroi de la cuvette, subit une réflexion totale sur l'interface entre le matériau 2 sensible au rayonnement et le liquide 25 de contact 3. L'insolation du matériau sensible au rayonnement par l'onde superficielle 5 résultante produit une couche à indice de réfraction modifié, qui agit en guide d'ondes diélectrique à couche mince dans le domaine optique. Les masques et diaphragmes correspondants n'ont pas été représentés, car les dimensions transversales de ce guide d'ondes ne 30 sont pas critiques. Sur la figure 3, une onde homogène 8, cohérente avec l'onde 1, agit verticalement. L'onde 8 pénètre dans le milieu 2 et interfère avec l'onde superficielle produite par la réflexion totale de l'onde l. La structure interférentielle 9 résultante ne s'étend par suite également 35 que sur la profondeur de pénétration de l'onde superficielle. On obtient ainsi, dans cette partie, une couche à indice de réfraction variant périodiquement. Une couche à indice de réfraction variant continûment 72 07149 5 2128497 est de nouveau produite dans la zone voisine 10, où seule l'onde superficielle est présente. Le dispositif complet constitue alors un coupleur de grille raccordé à un guide d'ondes optique. Un choix approprié de l'amplitude des deux ondes superficielles interférant permet aussi d'obtenir une structure de guide d'ondes s'étendant dans la couche plus profondément que la structure interférentielle. La figure 4 représente un autre dispositif pour la production d'un coupleur de grille optique, raccordé à un guide d'ondes. Dans ce cas, deux ondes monochromatiques planes cohérentes 11, 12 subissent une réflexion totale sur l'interface de deux milieux. Les ondes superficielles correspondantes interfèrent alors dans le milieu sensible au rayonnement et produisent la structure interférentielle 9. Seule l'onde superficielle 9, correspondant à l'onde 11, est présente dans le domaine voisin 10 et y produit de nouveau une variation continue de l'indice de réfraction. L'élément optique complet est ainsi de nouveau constitué par une structure de phase périodique, correspondant à la structure interférentielle 9 et agissant en coupleur de grille, et par un guide d'ondes raccordé. Lorsque l'incidence des deux ondes 11 et 12 se fait sur deux côtés opposés, et non sur un seul, on obtient une structure interférentielle de fréquence nettement supérieure. Cette structure a généralement un autre rendement de réfraction, mais présente l'avantage de ne pas produire d'ordres de réfraction supérieurs. Exemples de matériaux sensibles au rayonnement, utilisés pour la production de guide d'ondes diélectriques. Exemple 1 Une couche au bromure-iodure d'argent très sensible à grain fin, du type Agfa-Gevaert Scienta 8E75, est insolée par une onde superficielle dans le dispositif selon figure 2. La source lumineuse est dans ce cas un laser He-Ne. Le matériau insolé est ensuite soumis au traitement photographique suivant : 1) Durcissement préalable de l'émulsion par un traitement spécial au bain, pendant 10 minutes. Composition du bain : 10 g Na„C0„, 3 50 g Na2S0,, 40 cm de benzotriazole (solution alcoolique à 0,5 %); 3 dilution à 1 litre avec de l'eau, addition de 5 cm /litre de formaline juste avant l'emploi. 2) Rinçage à l'eau pendant 2 minutes. 3) Développement pendant 5 minutes dans le révélateur Agfa-Gevaert 72 07149 e 2128497 G3P5. 4)Fixage. 5) Rinçage. 6) Blanchiment. 5 7) Rinçage pendant 5 minutes. 8) Traitement successif dans des bains d'alcool à 50 %, 75 % et 90 % respectivement, pendant 2 minutes à chaque fois. 9) Séchage à l'air. Le bain de blanchiment comprend deux constituants : 10 Bain de blanchiment A : 120 g CuSO^, 7,5 g KBr et 150 d'acide citrique dans un litre d'eau. Bain de blanchiment B : 1 partie ^02 (solution à 30 %) dans 7 parties d1 eau. -2 Après une insolation totale inférieure à 100 jiWscm , les couches 15 insolées sont blanchies pendant 12 minutes dans un mélange en parties égales des bains de blanchiment A et B. Après une insolation totale supé-_2 rieure à 100 j^Wscm , les couches insolées sont traitées pendant 6 minutes dans le bain de blanchiment A, puis 6 minutes dans un mélange en parties égales de A et B. Ce mode opératoire est nécessaire, car des parties de 20 l'émulsion sont détériorées par ^02 dans le cas d'insolations intenses. L'action physique du blanchiment est une conversion de la structure d'absorption, constituée par de l'argent métallique, en une structure de phase, constituée par AgBr. L'indice de réfraction de la couche de AgBr est nettement supérieur à celui de l'émulsion. 25 On obtient des couches à homogénéité améliorée en traitant les plaques photographiques dans une atmosphère de vapeur d'eau avant l'insolation. Les contraintes mécaniques sont ainsi fortement réduites dans 1'émulsion. Exemple 2 30 Les photopolymères se prêtent également à l'emploi comme matériaux de base. On a notamment utilisé avec succès de l'alcool polyvinylique ou des copolymères de ce dernier, contenant les unités d'alcool vinylique sous forme polymérisée; des groupes d'acide cinnamique ou groupes acides photosensibles sont disposés dans les chaînes latérales. De tels polymères 35 sont décrits en détail par exemple dans le brevet allemand n° 1 099 732 et les brevets français n° 1 168 217 et 1 185 357 ou dans les brevets américains n° 1 965 710, 1 973 493 et 2 063 348. Des systèmes sensibles 72 07149 7 2128497 au rayonnement et comportant des groupes acides ^oht décrits dans le brevet français n° 1 159 953, le brevet français n° 1 159 952 ou le brevet belge n° 549 814, le brevet allemand n° 1 079 950 et le brevet français n° 1 439 392 ou le brevet belge n° 665 427. Exemple 3 Une couche de gélatine hyaline, légèrement durcie, d'une épaisseur de 20 n et déposée sur une plaque de verre, est sensibilisée par traitement pendant 5 mn, à la température ambiante, avec une solution à 7 % de bichromate d'ammonium, puis séchée dans l'obscurité. Les couches de gélatine brichromatée ainsi produites sont ensuite irradiées par une onde superficielle, selon figure 2. Un laser au krypton ou à l'argon doit être utilisé comme source lumineuse dans ce cas. Le matériau insolé est ensuite traité dans un bain de durcissement-gonflement, qui produit simultanément une désensibilisation. Une méthode appropriée de durcissement-gonflement est décrite par exemple par L.H. Lyonn, Applied Optics, Vol. 8, n° 5, pp. 963-966. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 72 07149 8 2128497 Revendications 1. Procédé pour la production d'éléments optiques intégrés, et notamment de guides d'ondes, caractérisé en ce qu'une couche d'un matériau sensible au rayonnement, contiguë à la surface, est irradiée par une ou 5 plusieurs ondes superficielles électromagnétiques. 2. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de la couche insolée est modifié par un traitement physique ou chimique, effectué pendant ou après l'insolation. 3. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que les ondes super 10 ficielles sont produites par réflexion totale. 4. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau sensible au rayonnement utilisé est une couche photographique normale à halogénure d'argent, dans laquelle une structure de phase est produite de façon connue. 15 5. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par l'emploi de photopolymères (photoresist) comme matériau sensible au rayonnement. 6. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par l'emploi de photochromes comme matériau sensible au rayonnement. 20 7. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par l'emploi de gélatine bichromatée comme matériau sensible au rayonnement. 8. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par la superposition d'une onde homogène à l'onde superficielle dans une 25 partie du matériau sensible au rayonnement, de façon à produire une struc ture interférentielle dans cette partie. 9. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par la superposition d'une seconde onde superficielle à la première dans une partie du matériau sensible au rayonnement, de façon à produire une 30 structure interférentielle dans cette partie.