Brevet FR2537291A1 — publié le 19840608

La présente invention concerne un procédé de fabri- cation de dispositifs optiques et de préformes de fibres opti- ques. On connaît diverses techniques pour fabriquer des dispositifs optiques intégrés et des fibres optiques On fabrique par exemple des coupleurs directionnels optiques intégrés en utilisant des techniques d'exposition avec des masques conformables Cependant, l'obtention de vitesses de commutation élevées exige de très petits dispositifs, avec des écartements de l'ordre d'un micron Ceci exige à son tour que les masques soient fabriqués avec un degré de précision élevé pour obtenir ces petits écartements. Un'exemple de technique pour la fabrication de pré- formes de fibres optiques, à partir desquelles on étire des fibres optiques, est le procédé appelé "Dépôt chimique en phase vapeur modifié" (ou, en abrégé, MCVD pour "Modified Chemical Vapor Deposition"), dans lequel on fait circuler dans un tube de substrat de préforme un précurseur, sous la forme d'un gaz contenant des matières de formation de verre et des dopants de modification d'indice de type approprié, et on chauffe le précurseur dans le tube de substrat Ceci fait déposer-une couche de verre sur la surface intérieure du tube L'épaisseur de chaque couche déposée -et la concentra- tion de dopants à l'intérieur de chaque couche sont des fonc- tions d'un certain nombre de paramètres qui doivent tous être définis avec soin pour obtenir une fibre ayant le profil d'indice désiré. Un procédé de fabrication de dépôts ou "formes" de suie est le procédé appelé "Dépôt axial descendant en phase vapeur" (ou en abrégé DAVD, pour Downward Axial Vapor-phase Deposition) Lorsque ces formes sont frittées par chauffage, elles produisent des préformes de verre à partir desquelles on peut étirer des fibres optiques Le processus DAVD produit une forme de suie cylindrique circulaire, bien définie, avec une surface de croissance plane Conformément à l'invention, on modifie le profil d'indice de réfraction de la forme de suie en croissance en évaporant les dopants de modification d'indice à partir de parties sélectionnées de la forme Dans le mode de réalisation de l'invention qui est décrit ci-après à titre d'exemple, on chauffe localement la surface de crois- sance de la forme de suie par un faisceau laser focalisé qui "écrit" le profil d'indice désiré sur la forme en croissance. En commandant le mouvement et l'intensité du faisceau laser, on peut obtenir n'importe quel profil d'indice désiré. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 montre une configuration pour commander le profil d'indice de formes dé suie, conformément à Ilinven- tion, La figure 2 montre le procédé de formation d'une région d'indice inférieur dans une forme de suie en croissan- ce; La figure 3 montre une configuration pour fabriquer des profils d'indice plus complexes, employant plusieurs faisceaux laser; La figure 4 montre la fabrication d'un coupleur optique directionnel conformément aux principes de l 'inven- tion; La figure 5 montre l'enlèvement d'une puce à partir d'une forme de suie frittée; Les figures 6 et 7 montrent des circuits optiques tridimensionnels; La figure 8 montre une puce multicouche dans laquelle les indices de réfraction d'éléments de puce adja- cents sont différents; et La figure 9 montre un dispositif généralisé pour la mise en oeuvre de l'invention. En se référant aux dessins, on voit sur la figure 1 un dispositif destiné à commander le profil d'indice de for- mes de suie conformément à l'invention Dans un but d'illus- tration et d'explication, on peut employer le procédé DAVD pour la fabrication de formes de suie Conformément à ce procédé, on fait croître la forme 10 sur une amorce en sili- ce 11 qu'on fait tourner autour de son axe vertical, comme l'indique la flèche 12 Il existe également des moyens, non représentés, pour déplacer l'amorce dans une direction des- cendante, indiquée par la flèche 13, au fur et à mesure de la croissance de la forme de suie, afin de maintenir la sur- face de croissance 16 à une position fixe par rapport à la flamme 14. Des matières premières, telles que Si C 14, Ge C 14, PO C 14, de l'oxygène et de l'hydrogène sont introduites dans un brûleur 15 qui produit de fines particules de verre par la réaction d'hydrolyse à la flamme Les particules se dépo- sent initialement sur l'extrémité de l'amorce 11 Lorsque la forme de suie croît, les particules de verre se déposent sur la surface supérieure de la forme en croissance axiale, qui est tirée vers le bas. Pour commander le profil d'indice de réfraction sur la forme en croissance, on dirige un faisceau laser 17 sur la surface de croissance 16 de la forme Le faisceau, obtenu à partir d'une source 18 appropriée, comme un laser au C 02, est dirigé sur la surface 16 au moyen d'un miroir oscillant 19 qui peut tourner librement autour d'en axe Z-Z qui est contenu dans le plan-du miroir Grâce à ce mouvement, on peut diriger le faisceau pour tracer un motif sur la sur- face 16 Le faisceau qui tombe sur la surface de croissance a pour effet de chauffer suffisamment la partie de surface qui est écrite, pour évaporer le dopant de modification d'indice. Ceci entraîne un changement de l'indice de réfraction par rapport à celui de la région environnante A titred'exemple, pour fabriquer par le processus MCVD une préforme de fibre optique ayant un profil à saut d'indice, on dépose un premier ensem- ble de couches ayant un premier indice de réfraction, puis un ensemble de couches ayant un second indice, plus élevé On rétreint ensuite le tube de départ pour former un barreau plein Comme il est connu, une légère variation dans le dép&t de couches -successives, plus le creux central habi- tuel, conduisent à un profil d'indice relativement irrégu- lier Conformément à l'invention, on fabrique la préforme sous la forme d'un solide de composition uniforme On forme ensuite La gaine d'indice inférieur en évaporant une partie du dopant d'augmentation d'indice, comme le montre la figure 2 Cette figure montre le faisceau laser 17 dirigé sur la surface de croissance 16 de la forme de suie 10 par un miroir 19 En particulier, le faisceau est focalisé par des moyens appropriés représentés par une lentille 20, sur un point situé à une distance R du centre de la forme 10 On commande l'intensité du faisceau, et donc la quantité de dopant éva- poré, au moyen d'un atténuateur 21 placé dans le chemin du faisceau On commande la largeur W de la gaine par l'oscilla- tion du miroir 18, sous l'effet de laquelle le faisceau balaie l'intervalle compris entre R et R+t Lorsque la forme tourne, le faisceau à balayage balaie un chemin circulaire pour former la gaine d'une fibre à saut d'indice ayant-un coeur de rayon R et une gaine de largeur w. On peut réaliser un profil plus compliqué, comme celui d'une fibre de classe quadruple, par l'utilisation simultanée de plusieurs faisceaux et miroirs La figure 3 montre une telle configuration dans laquelle un faisceau laser 9 est divisé en quatre faisceaux 9-1, 9-2, 9-3 et 9-4 au moyen de diviseurs de faisceau 30, 31 et 32 Les faisceaux sont dirigés vers quatre miroirs oscillants 19-1, -30 19-2, 19-3 et 19-4 au moyen de miroirs 34, 35 et 36 tes miroirs oscillants dirigent à leur tour les quatre faisceaux vers la surface de croissance en rotation, 16, de la forme de suie 10 En particulier, le faisceau 9-1 est dirigé vers la forme de suie de façon-à balayer une partie annulaire située entre les rayons R et R 2 Le faisceau 9-2 effectue un balayage entre les rayons R 2 et R 3 Le faisceau 9-3 effectue un balayage entre R 3 et R 4 et le faisceau 9-4 effectue un balayage entre R 4 et RS' L'intensité de chaque faisceau est commandée-par un atténuateur respectif 21-1, 21-2, 21-3 et 21-4 pour produire le profil d'indice désire. On peut également utiliser l'invention pour fabriquer des dispositifs optiques intégrés tels que des coupleurs directionnels, des jonctions en Y et d'autres con- figurations de circuit originales Par exemple, pour former un coupleur directionnel, le faisceau laser 17 balaie une paire d'arcs 40 et 41 sur la forme de suie, de la manière représentée sur la figure 4 Une fois qu'on a écrit le motif désiré dans la forme de suie et qu'on a fritté cette derniè- re, on découpe en tranches le barreau résultant, s'il a les dimensions physiques désirées, ou bien on peut tout d'abord l'étirer pour réduire ses dimensions, puis le découper en tranches pour obtenir la puce optique intégrée Ceci est représenté sur la figure 5, sur laquelle la forme de suie 60 frittée, et étirée si nécessaire, a été coupée pour donner une puce 61. Un avantage de l'invention consiste en ce qu'on peut fabriquer aisément des circuits optiques tridimension- nels de diverses formes, comme le montre la figure 6, qui représente une puce 70 sur laquelle sont formés un premier coupleur directionnel 71 et un second coupleur directionnel 72, séparés par une épaisseur t de substrat Les deux cou- pleurs peuvent être identiques ou différents de tous les autres, et chacune des quatre bandes de guidage d'ondes peut être en couplage avec les autres En ajoutant à la puce des paires d'électrodes 73-1, 73-2 et 74-1, 74-2, on peut obte- nir un commutateur tridimensionnel On voit qu'on peut employer cette technique pour fabriquer d'autres types de configurations de circuit tridimensionnelles On peut par exemple établir un chemin optique interne (c'est-à-dire noyé dans le substrat), comme il est indiqué sur la figure 7 A 253 ?t 91 titre d'exemple, la figure 7 montre une puce optique intégrée tridimensionnelle 80 qui comporte un coupleur directionnel 81 formé sur la surface supérieure 84 et un chemin optique 82 qui s'étend à l'intérieur du substrat de la puce, depuis une ertrémité de l'un des guides d'ondes 83 du coupleur jusqu'à la surface extérieure 85 de la puce. La figure 8 montre une puce 90 dans laquelle diver- ses couches 91, 92 et 93 ont des indices de réfraction diffé- rents ou des compositions différentes, obtenus en changeant les dopants pendant le dépôt Ces couches sont en outre sou- mises à un balayage sélectif pour fabriquer des amplifica- teurs optiques, des lasers et des diodes électroluminescen- tes. La figure 9 montre une configuration généralisée pour la mise en oeuvre de l'invention qui comprend une paire de miroirs 100 et 101 supportés de façon à osciller autour d'axes mutuellement orthogonaux sous la commande de moteurs respectifs 110 et 111 On voit également une source laser 104 et une forme de suie -en croissance 103 qui est mise en rota- tion autour de son axe vertical par un troisième moteur 112. La position du faisceau laser, la vitesse à laquel- le tourne la forme de suie et la commande de la puissance de sortie du laser sont déterminées par un dispositif de comman- de 113 qui, dans sa forme la plus générale, peut être un ordinateur programmé de façon à produire les configurations d'indice désirées (Des dispositifs de positionnement de faisceaux laser sont vendus dans le commerce; voir par exem- ple les produits proposés par General Scanning, Inc Water- town, Maine, E U A) Selon la configuration à former, le processus peut se dérouler de façon continue ou de façon incrémentielle Il faut noter qu'on peut faire démarrer et arrêter le processus DAVD sans aucune difficulté, ce qui fait que le faisceau peut balayer la surface de la forme de suie pendant que cette dernière est en mouvement ou au repos Si le processus DAVD a été arrêté, on peut ensuite le faire redémarrer et effectuer un dépôt de suie supplémentaire pen- dant que le balayage se poursuit de façon incrémentielle ou continue La puissance laser qui est exigée pour évaporer de la matière à partir de la forme de suie dépendra évidemment de la matière concernée Par exemple, on dépose de la silice dopée au germanium dans la plage de température allant de, 1500 C à 4250 C Cependant, le germanium s'évapore vers 480 OC. Par conséquent, dans ce cas, il est évident qu'une élévation de température de 4800 C n'est pas exigée. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, sans sortir-du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une forme de suie de verre ayant un profil d'indice de réfraction déterminé, com- prenant l'opération qui consiste à diriger une suie, pouvant être frittée en un verre, sur la surface d'extrémité de croissance de la forme de suie; caractérisé en ce qu'on dirige au moins un faisceau laser sur cette surface d'extré- mité afin d'évaporer des matières sélectionnées à partir de la forme, sur des régions définies de celle-ci. le 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la suie est dirigée en direction descendante sur la surface d'extrémité de croissance, pendant que la forme tourne autour d'un axe perpendiculaire à la surface de croissance, carac- térisé en ce que le faisceau-laser balaie une partie au moins de la surface d'extrémité. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau laser balaie une région annulaire sur la surface d'extrémité pour former une première région d'indice de réfraction inférieur, adjacente à une seconde région d'indice de réfraction supérieur. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on dirige plusieurs faisceaux laser sur la surface d'extrémité de croissance. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce quron peut faire en sorte que chaque faisceau balaie une région annulaire de rayons différents et/ou ait une intensité différente de celle des autres faisceaux. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dirige la suie et le faisceau laser sur la surface d'extrémité soit séquentiellement, soit simultanément. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait varier l'indice de réfraction dans la direction de la croissance de la forme et/ou dans la direction perpen- diculaire à la direction de croissance de la forme. 8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait varier la composition de la forme de suie dans la direction de croissance de la forme. 9 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites régions s'étendent le long des surfaces de ladite prtieet à ltintérieur de celle-ci, pour définir des cir- cuits optiques tridimensionnels. Puce optique intégrée tridimensionnelle, carac- térisée en ce qu'elle comprend: un substrat ayant un premier indice de réfraction; et des régions de guidage d'ondes, d'indice de réfraction inférieur, s'étendant le long d'au moins deux surfaces de la puce. 11 Puce selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'au moins une région de guidage d'ondes sur l'une des surfaces est en couplage avec au moins une région de guidage d'ondes sur l'autre surface. 12 Puce selon la revendication 10, caractérisée en ce que les régions de guidage d'ondes forment un premier cou- pleur optique directionnel le long d'une première des surfaces, et un second coupleur optique directionnel le long d'une secon- de des surfaces; et en ce que les régions de guidage d'ondes des deux coupleurs directionnels sont en couplage pour former un réseau de couplage tridimensionnel. 13 Puce selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens destinés à faire varier l'indi- ce de réfraction le long des régions de guidage d'ondes, afin de commander le couplage entre ces régions. 14 Puce optique intégrée tridimensionnelle, compre- nant un substrat ayant un premier indice de réfraction; caractérisée en ce que des régions de guidage d'ondes d'indice de réfraction inférieur s'étendent le long d'une surface de la puce et sont noyées à l'intérieur du volume de la puce.