Brevet FR2534034A1 — publié le 19840406

Guide d'ondes lumineuses, et procédés de fabrication de celui-ci La présente invention concerne un guide d'ondes lumineuses, comportant une couche-support en un matériau d'indice de réfraction relativement faible, une couche de propagation des ondes lumineuses en un matériau d'indice de réfraction plus élevé que celui de la couche support, et une couche de confinement des ondes lumineuses en un matériau d'indice de réfraction plus faible que celui de la couche de propagation. Elle s'étend en outre à des procédés de fabrication d'un tel guide d'ondes lumineuses. On connaît des guides d'ondes lumineuses de section droite circu- laire, obtenus par deux techniques principales Selon une première tech- nique, dont une variante avantageuse fait l'objet de la demande de bre- vet FR-A-2447 890 de la Demanderesse, on prépare une préforme cylin- drique comportant un coeur d'indice de réfraction relativement élevé, une zone intermédiaire d'indice de réfraction moyen plus faible, et une zone externe d'indice de réfraction moyen encore plus faible, par dépôt sur une tige d'un matériau de base des produits d'hydrolyse dans la flamme d'un chalumeau oxyacétylénique de composés hydrolysables d'un matériau de base tel que le silicium et de matériaux dopants, augmentant ou diminuant l'indice de réfraction de l'oxyde de matériau de base (tels que le germanium, le bore ou le phosphore pour la silice) Selon une autre méthode, on dépose en phase vapeur à l'intérieur d'un tube d'un matériau de base tel que la silice de la poudre du matériau de base dopé qui vient s'agréger sur la paroi interne du tube et former une première couche d'indice de réfraction relativement faible, puis une seconde cou- che d'indice de réfraction moyen plus élevé, sous l'effet d'un chauffage externe du tube par une zone de chauffage en translation le long du tube. Par rétreint, puis étirage de telles préformes, on obtient des guides d'ondes optiques de faible diamètre, de l'ordre de 100 microns. De tels guides d'ondes optiques cylindriques se prêtent malt notamment pour ceux à transmission monomode, à la réalisation des opéra- tions classiques de l'optique, tels que division de l'onde lumineuse initiale en deux ou plusieurs circuits, modulation, déphasage, interpo- sition de réseaux de diffraction Celles-ci nécessitent l'interposition d'organes souvent complexes, et entraînent des pertes importantes par affaiblissement de l'onde initiale. 2 - La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients, et de procurer un guide d'ondes lumineuses se prêtant plus facilement à la réalisation des opérations classiques de l'optique. Le guide d'ondes lumineuses selon l'invention est caractérisé en ce que les couches de support, de propagation et de confinement sont planes, et en ce que la couche de propagation est enserrée entre deux bandes d'un matériau d'indice de réfraction inférieur au sien propre. L'invention s'étend en outre à divers procédés de fabrication d'un tel guide d'ondes lumineuses. Selon un premier procédé, a) on fait circuler dans un tube en silice pure de section droite en forme de polygone régulier des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant trans- formable en oxyde de ce dernier, l'élément dopant augmentant l'indice de réfraction de la silice, et d'un composé chimique oxydant, l'on chauffe les vapeurs à une température suffisante pour obtenir sur les parois internes du tube le dépôt d'une première couche de silice dopée, b) on fait circuler dans le tube des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant transformable en oxyde augmentant l'indice de réfraction de la silice, et d'un composé chimique oxydant, la proportion ou la nature de l'élément dopant étant cependant telles qu'il augmente dans une moindre mesure l'indice de réfraction de la silice, l'on chauffe les vapeurs à une température suffisante pour obtenir sur la couche précédemment déposée le dépôt d'une seconde couche de silice dopée d'indice de réfrac- tion un peu inférieur à celui de la première couche, c) on scie les parois du tube parallèlement à ses arêtes de façon à obtenir plusieurs plaquettes planes munies de deux couches-successives de silice différemment dopée, d) on dispose sur les bords de ces plaquettes des bandes d'un matériau d'indice de réfraction inférieur à celui de la première couche de silice dopée. On dispose de préférence sur les bords des plaquettes planes les bandes d'un matériau d'indice de réfraction inférieur à celui de la première couche de silice dopée, soit en homogénéisant dans la zone de ces bandes l'indice de réfraction par fusion de la matière ou vapori- sation des dopants, soit en introduisant dans la matière dans la zone de ces bandes des dopants abaissant l'indice de réfraction. Selon un second procédé de fabrication, a) on fait circuler dans un tube en silice pure de section droite en forme de polygone régulier des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant trans- formable en oxyde de ce dernier, l'élément dopant augmentant l'indice de réfraction de la silice, et d'un composé chimique oxydant, l'on chauffe les vapeurs à une température suffisante pour obtenir sur les parois internes du tube le dép 8 t d'une première couche de silice dopée, b) on scie les parois du tube parallèlement à ses arêtes de façon à obtenir plusieurs plaquettes planes munies d'une couche de silice dopée d'indice de réfraction supérieur à celui de la silice pure, c) on élimine les bords de la couche de silice dopée par usinage par faisceau d'électrons ou faisceau laser, ou bien par attaque chimique sélective, après masquage de sa zone centrale, d) on introduit chaque plaquette à l'intérieur d'un second tube en silice pure de section droite en forme de polygone analogue au tube à partir duquel ont été préparées les plaquettes, e) on fait circuler dans le second tube des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant transformable en oxyde de ce dernier, la proportion ou la nature de l'élément dopant étant cependant telles qu'il augmente dans une moindre mesure l'indice de réfraction de la silice, on chauffe les vapeurs à une température suffisante pour obtenir sur la couche précé- demment déposée des plaquettes et sur ses bords le dépôt d'une seconde couche de silice dopée d'indice de réfraction un peu inférieur à celui de la première couche. Selon un troisième procédé de fabrication, a) on fait circuler dans un tube en silice pure de section droite en forme de polygone régulier des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant trans- formable en oxyde de ce dernier, l'élément dopant diminuant l'indice de réfraction de la silice, et d'un composé chimique oxydant, l'on chauffe 4- les vapeurs à une température suffisante pour obtenir sur les parois internes du tube le dépôt d'une première couche de silice dopée, b) on scie les parois du tube parallèlement à ses arêtes de façon à obtenir plusieurs plaquettes planes munies d'une couche de silice dopée d'indice de réfraction inférieur à celui de la silice pure, c) on augmente l'indice dans la zone centrale de chaque plaquette en vaporisant le dopant par un faisceau d'électrons ou un faisceau laser, ou en y implantant ou diffusant un dopant différent augmentant l'indice de réfraction de la silice, d) on introduit chaque plaquette à l'intérieur d'un second tube en silice pure de section droite en forme de polygone analogue au tube à partir duquel ont été préparées les plaquettes, e) on fait circuler dans le second tube des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant transformable en oxyde de ce dernier, la proportion ou la nature de l'élément dopant étant telles qu'elles procurent une couche d'indice de réfraction inférieur à celui obtenu dans l'opération c), et d'un composé chimique oxydant, on chauffe les vapeurs à une température suf- fisante pour obtenir sur la couche précédente des plaquettes et sur ses bords le dépôt d'une seconde couche de silice d'indice de réfraction un peu inférieur à celui de la première couche. Selon un quatrième procédé de fabrication, a) on diffuse ou implante dans la zone centrale d'une plaquette plane de silice pure un dopant augmentant l'indice de réfraction de la silice, b) on introduit la plaquette à l'intérieur d'un tube en silice pure, c) on fait circuler dans le tube de silice pure des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant transformable en oxyde de ce dernier, la proportion ou la nature de l'élément dopant étant telles qu'elles procurent une couche d'indice de réfraction inférieur à celui obtenu dans l'opération a), et d'un composé chimique oxydant, et on chauffe les vapeurs à une tempéra-. ture suffisante pour obtenir sur la couche précédente et sur ses bords le dépôt d'une seconde couche de silice dopée d'indice de réfraction un peu inférieur à celui de la première couche. Il est décrit ci-après, à titre d'exemples et en référence aux figures du dessin annexé, des guides d'ondes optiques selon l'invention, -5 - des procédés de fabrication de ceux-ci et quelques circuits optiques réalisables à l'aide de ces guides d'ondes. La figure 1 représente un tube de silice pure de section droite carrée sur les parois internes duquel ont été déposées des couches de silice dopée au cours de la fabrication d'un guide d'ondes. Les figures 2 A et 2 B représentent respectivement en coupe trans- versale et en coupe par un plan horizontal un guide d'ondes selon l'in- vention. La figure 3 représente un guide d'ondes assurant la division du faisceau lumineux en deux branches. La figure 4 représente un guide d'ondes à deux branches dont l'une, munie d'une électrode de commande, permet un déphasage de la moitié du signal optique qui y circule, et formant ainsi atténuateur ou modulateur d'amplitude. La figure 5 représente un guide d'ondes à deux branches, munies chacune d'un réseau de diffraction, permettant de séparer deux fréquen- ces de l'onde initiale. La figure 6 représente un guide d'ondes muni d'une photodiode for- mant émetteur. Dans la figure 1, le tube 1 en silice pure d'indice de réfrac- tion no, de section droite carrée, entourant le canal 2, a été revêtu d'un premier dépôt interne d'une première couche 3 de silice dopée d'in- dice de réfraction N 1 un peu supérieur, par exemple d'une couche de silice dopée à l'oxyde de germanium, d'épaisseur comprise entre 1 et 60 microns Il a été ensuite revêtu d'une seconde couche 4 de silice dopée d'indice de réfraction N 2 inférieur à celui de la première couche, par exemple d'une couche -de silice dopée à l'aide d'une proportion moindre d'oxyde de germanium Les épaisseurs de ces couches ont été notablement exagérées par rapport à celles du support pour plus de clarté du dessin. En vue d'obtenir les guides d'ondes plans, on découpe alors les parois du tube selon des directions A et B parallèles à ses arêtes. On forme alors sur les bords de la couche d'indice de réfraction N 1 des bandes limites d'indice de réfraction N 3 lement le faisceau lumineux à l'intérieur de la couche d'indice ni Ceci peut se faire par exemple en homogénéisant l'indice sur le tracé des 6bandes limites par fusion de la matière ou évaporation des dopants, selon l'épaisseur, à l'aide d'un laser à gaz carbonique ou d'un pinceau d'élec- trons d'énergie appropriée, ou bien en introduisant sur le tracé des bandes limites des dopants susceptibles d'abaisser l'indice, tels que l'anhydride borique ou le fluor, dans l'épaisseur des deux couches d'in- dices N 1 et N 2, soit par diffusion, soit par implantation ionique. On peut aussi, après avoir déposé à l'intérieur du tube de section droite carrée la seule couche de propagation d'indice N 1 et découpé celui-ci en plaquettes, éliminer cette couche sur le tracé des bandes limites par usinage par faisceau d'électrons ou par faisceau laser, ou bien par attaque chimique sélective après masquage du tracé de la bande de propagation des ondes On dépose ensuite la série de couches d'in- dice N 2 rieur duquel on effectuera le dépôt comme précédemment. On peut encore, à partir d'une plaquette de silice sur laquelle a été réalisé le dépôt d'une couche N 1 t' no à l'aide d'un dopant anhydride borique ou fluor, ajuster l'indice sur le tracé de la bande de propa- gation à une valeur N 4)> N 1, soit par évaporation de dopant grâce à un faisceau laser ou un faisceau d'électrons, soit par implantation ou diffusion d'un dopant complémentaire élevant l'indice, tel qu'un composé du phosphore, ou l'oxyde de germanium On effectue alors à la surface de la plaquette le dép 8 t d'une couche d'indice N 2 d'une nouvelle couche comme précédemment. On peut enfin effectuer sur une plaquette de silice pure, sur le tracé de la bande de propagation des ondes, une diffusion ou implantation d'ions relevant l'indice à un niveau N 1 > no, puis déposer sur l'ensemble de la plaquette une couche de silice dopée par un agent ne relevant l'indice qu'à une valeur N 2 valeur). On obtient par ces différents procédés des guides d'ondes lumi- neuses plans présentant la structure représentée en figures 2 A et 2 B. Sur le support 1 en silice pure d'indice no, la couche de propagation 3 A d'indice N 1 > N est limitée latéralement par les bandes de confine- ment 5 A, 5 B d'indice N 2 indice N 1 La couche 3 A est recouverte par la couche supérieure 4 d'in- dice N 2 gation perpendiculairement au plan de la figure 2 A et parallèlement à celui de la figure 2 B est représenté par les flèches 6. La figure 3 représente un élément de guide d'ondes assurant une division du faisceau lumineux 6 La couche de propagation 3 A se divise en deux branches 7, 8, toutes deux délimitées par les bandes de confine- ment 5 A, -5 B et 9, 10. Dans les figures 4, 5 et 6, les bandes de confinement et la couche supérieure d'indice inférieur à celui de la couche de propagation n'ont pas été représentées, pour plus de clarté. Dans l'élément de guide d'ondes 11 de la figure 4, la couche de propagation se divise en deux branches 12, 13 La branche 13 comporte un dépôt d'oxyde de zinc 14 dont l'indice est commandé par l'électrode métallique 15 déposée par projection sous vide. Le signal optique étant divisé en deux branches, et celui passant dans la branche 13 pouvant être commandé électriquement, on peut obtenir dans la suite 16 du guide d'ondes un déphasage d'une moitié du signal optique, qui pourra s'ajouter ou se retrancher de l'autre moitié On obtient ainsi un atténuateur ou modulateur d'amplitude commandé par une tension électrique. Dans l'élément de guide d'ondes 21 de la figure 5, les bran- ches 22, 23 de la couche de propagation sont munies par gravure de stries très rapprochées 24, 25 formant réseau de diffraction. En donnant aux stries des espacements différents, on peut séparer deux fréquences de rayonnement en ne laissant passer chacune que dans l'une des deux branches. L'élément de guide d'ondes 31 de la figure 6 est muni d'une photo- diode 32 Celle-ci peut être émettrice ou réceptrice, et être couplée à un guide d'ondes par perçage ou par dépôt local d'arséniure de gallium ou de phosphure d'indium La photodiode est commandée à l'aide de la bande métallisée 33 La couche de propagation se divise en deux bran- ches 34, 35 - En combinant divers éléments de guide d'ondes plans tels que décrits cidessus, on peut obtenir des circuits intégrés optiques très variés. -8- REVENDICATIONS 1/ Guide d'ondes lumineuses, comportant une couche de support ( 1, (figure 2 A) en un matériau d'indice-de réfraction relativement faible, une couche de propagation des ondes lumineuses ( 3 A) en-un matériau d'in- dice de réfraction plus élevé que celui de la couche support, et une couche de confinement des ondes lumineuses ( 4) en un matériau d'indice de réfraction plus faible que celui de la couche de propagation, carac- térisé en ce que les couches de support, de propagation et de confinement sont planes, et en ce que la couche de propagation est enserrée entre deux bandes de confinement ( 5 A, 5 B) d'un matériau d'indice de réfraction inférieur au sien propre. 2/ Procédé de fabrication d'un guide d'ondes lumineuses selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que a) on fait circuler dans un tube en silice pure ( 1) de section droite en forme de polygone régulier des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant trans- formable en oxyde de ce dernier, l'élément dopant augmentant l'indice de réfraction de la silice, et d'un composé chimique oxydant, on chauffe les vapeurs à une température suffisante pour obtenir sur les parois internes du tube le dépôt d'une première couche de silice dopée ( 3 A), b) on fait circuler dans le tube des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant transformable en oxyde augmentant l'indice de réfraction de la silice, et d'un composé chimique oxydant, la proportion ou la nature de l'élément dopant étant cependant telles qu'il augmente dans une moindre mesure l'indice de réfraction de la silice, on chauffe les vapeurs à une température suffisante pour obtenir sur la couche précédemment déposée le dépôt d'une seconde couche de silice dopée ( 4) d'indice de réfraction un peu inférieur à celui de la première couche, c) on scie les parois du tube parallèlement à ses arêtes de façon à obtenir plusieurs plaquettes planes munies de deux couches successives de silice différemment dopée, d) on dispose sur les bords de ces plaquettes des bandes ( 5 A, 5 B) d'un matériau d'indice de réfraction inférieur à celui de la première couche de silice dopée. 9 - 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on dispose sur les bords des plaquettes planes les bandes d'un matériau d'indice de réfraction inférieur à celui de la première couche de silice dopée en homogénéisant dans la zone de ces bandes l'indice de réfraction par fusion de la matière ou vaporisation des dopants. V/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on dispose sur les bords des plaquettes planes les bandes d'un matériau d'indice de réfraction inférieur à celui de la première couche de silice dopée en introduisant dans la matière dans la zone de ces bandes des dopants abaissant l'indice de réfraction. / Procédé de fabrication d'un guide d'ondes lumineuses selon la revendication 1, caractérisé en-ce que a) on fait circuler dans un tube en silice pure ( 1) de section droite en forme de polygone régulier des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant trans- formable en oxyde de ce dernier, l'élément dopant augmentant l'indice de réfraction de la silice, et d'un composé chimique oxydant, l'on chauffe les vapeurs à une température suffisante pour obtenir sur les parois internes du tube le dépôt d'une première couche ( 3 A) de silice dopée, b) on scie les parois du tube parallèlement à ses arêtes de façon à obtenir plusieurs plaquettes planes munies d'une couche de silice dopée d'indice de réfraction supérieur à celui-de la silice pure, c) on élimine les bords de la couche de silice dopée par usinage par faisceau d'électrons ou faisceau laser, ou bien par attaque chimique sélective, après masquage de sa zone centrale, d) on introduit chaque plaquette à l'intérieur d'un second tube en silice pure de section droite en forme de polygone analogue au tube à partir duquel ont été préparées les plaquettes, e) on fait circuler dans le second tube des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant transformable en oxyde de ce dernier, la proportion ou la nature de l'élément dopant étant cependant telles qu'il augmente dans une moin- dre mesure l'indice de réfraction de la silice, on -chauffe les vapeurs à une température suffisante pour obtenir sur la couche précédemment déposée des plaquettes et sur ses bords le dép 8 t d'une seconde couche de silice dopée ( 4) d'indice de réfraction un peu inférieur à celui de la première couche. 6/ Procédé de fabrication d'un guide d'ondes lumineuses selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que a) on fait circuler dans un tube en silice pure ( 1) de section droite en forme de polygone régulier des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant trans- formable en oxyde de ce dernier, l'élément dopant diminuant l'indice de réfraction de la silice, et d'un composé chimique oxydant, on chauffe les vapeurs à une température suffisante pour obtenir sur les parois internes du tube le dép 8 t d'une première couche de silice dopée ( 3 A), b) on scie les parois du tube parallèlement à ses arêtes de façon à obtenir plusieurs plaquettes planes munies d'une couche de silice dopée d'indice de réfraction inférieur à celui de la silice pure, c) on augmente l'indice dans la zone centrale de chaque plaquette en vaporisant le dopant par un faisceau d'électrons ou un faisceau laser, ou en y implantant ou diffusant un dopant différent augmentant l'indice de réfraction de la silice, d) on introduit chaque plaquette à l'intérieur d'un second tube en silice pure de section droite en forme de polygone analogue au tube à partir duquel ont été préparées les plaquettes, e) on fait circuler dans le second tube des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant transformable en oxyde de ce dernier, la proportion ou la nature de l'élément dopant étant telles qu'elles procurent une couche d'indice de réfraction inférieur à celui obtenu dans l'opération c), et d'un composé chimique oxydant, on chauffe les vapeurs à une température suf- fisante pour obtenir sur la couche précédente des plaquettes et sur ses bords le dépôt d'une seconde couche de silice ( 4) d'indice de réfraction un peu inférieur à celui de la première couche. 7/ Procédé de fabrication d'un guide d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que a) on diffuse ou implante dans la zone centrale d'une plaquette plane de silice pure un dopant augmentant l'indice de réfraction de la silice, b) on introduit la plaquette à l'intérieur d'un tube en silice pure, c) on fait circuler dans le tube de silice pure des vapeurs d'un composé gazeux du silicium transformable en silice, d'un composé gazeux d'un élément dopant transformable en oxyde de ce dernier, la proportion ou la nature de l'élément dopant étant telles qu'il procure une couche d'in- dice de réfraction inférieur à celui obtenu dans l'opération a), et d'un composé chimique oxydant, et on chauffe les vapeurs à une température suffisante pour obtenir sur la couche précédente et sur ses bords le dépôt d'une seconde couche de silice dopée ( 4) d'indice de réfraction un peu inférieur à celui de la première couche.